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Die Kraft des Feuers
Ein zeitgemässer Selbstlernkurs zur Thermodynamik für Ingenieure, Naturwissenschaftler und Lehrer auf der Basis des Karlsruher Physikkurses
Wir danken der Eduard-Job-Stiftung zur Förderung der Thermo- und Stoffdynamik für die grosszügige Unterstützung.
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Link zur Physik der dynamischen Systeme
Link zum SystemPhysik-Wiki | |
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Anleitung
Das Modul Thermodynamik setzt sich aus elf Teilmodulen zusammen, die nachfogend in je einem Block angeordnet sind. Die Teilmodule Entropie ist Wärme und Carnotor sollten Sie zuerst bearbeiten. Danach sind Sie ziemlich frei in der Auswahl der weiteren Themen.
Jedes Teilmodul besteht aus einem Theorie-, einem Frage- und einem Übungsteil. Sie finden die ersten fünf Therorieteile unter dem jeweiligen Bild (Buch als Ikon).
Im Laufe des Lernprozesses treffen Sie immer wieder auf ein systemdynamisches Modell. All diese Modelle können Sie auf Ihrem eigenen Computer laufen lassen und sogar selber modifizieren. Sie benötigen dazu nur die Demoversion von BerkeleyMadonna. Installieren Sie dieses Programm! Danach können Sie alle Modelle herunterladen und damit herumspielen. Sie werden erleben, wie einfach Thermodynamik sein kann.
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Entropie ist Wärme
Jeder Mensch kennt die Entropie unter dem Namen Wärme. Entropie wird beim Heizen zugeführt und beim Kühlen entzogen. Reibungsvorgänge erzeugen zusätzliche Entropie (durch Reibung entsteht Wärme).
Die Entropie ist die Königin unter den mengenartigen Grössen. Ihrer Herrschaft kann sich nicht einmal die Zeit entziehen, laufen doch alle realen Vorgänge, getrieben von der Entropieproduktion, aus der Vergangenheit in die Zukunft (Zeitpfeil).
Die Entropie ist die Quelle allen Lebens. Pflanzen und Tiere konnten sich nur entwickeln, weil die Erde viel mehr Entropie in den Weltraum abstrahlt, als sie von der Sonne bekommt.
Die Entropie ist ein Energieträger, d. h. die Entropie trägt die Energie über die Systemgrenze. Unglücklicherweise hat man Mitte des 19. Jahrhunderts das Wort Wärme der Energie statt der Entropie zugewiesen.
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Carnotor
Ein Gas kann man heizen oder kühlen sowie komprimieren oder expandieren. So verbinden sich Thermik und Mechanik zur Thermodynamik.
Die ideale Maschine, mit der das Verhalten eines flüssigen oder gasförmigen Stoffs modelliert werden kann, heisst Carnotor. Carnotor ist ein Kofferwort, das aus dem Namen Sadi Carnot und dem Begriff Motor zusammengesetzt ist.
Der Carnotor besitzt zwei Ports (Verbindungen zur Aussenwelt), einen thermischen Port und einen hydraulischen Port. Am thermischen Port wird Entropie sowie die zugehörige Energie (offiziell Wärme genannt) zu- oder abgeführt. Über den hydraulischen Port wird das Volumen einer idealen Flüssigkeit (Fluid) sowie die zugehörige Energie (Arbeit genannt) ausgetauscht.
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Wärmespeicher
Ein Stoff nimmt beim Heizen Entropie auf und gibt sie beim Kühlen wieder ab. Dabei trägt die Entropie (S) Energie (W) über die Systemgrenze.
Die von der Entropie transportierte Energie heisst offiziell Wärme. Heizt oder kühlt man bei konstantem Druck, entspricht die Wärme(energie) der Änderung der Enthalpie (H). Ein homogener Stoff verhält sich dann wie ein nichtlinearer Elementarspeicher: Entropieinhalt und Enthalpie hängen nur von der Temperatur und vom Aggregatszustand des Stoffs ab.
Die Enthalpie flüssiger und gasförmiger Stoffe nimmt ungefähr proportional mit der Temperatur zu. Dementsprechend steigt die Entropie mit dem Logarithmus des Temperaturverhältnisses.
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Ideales Gas
Das ideale Gas liefert das einfachste Modell zur Thermodynamik. Es beschreibt das Verhalten stark verdünnter Stoffe (Gase und Lösungen).
Die Gleichgewichtszustände des idealen Gases werden durch die universelle Gasgleichung beschrieben
Die Energie des idealen Gases hängt nur von der Temperatur ab. Die Entropie nimmt mit der Temperatur und dem Volumen zu
Mit Hilfe des idealen Gas lassen sich die realen thermodynamischen Prozesse von Verbrennungsmotoren und Gasturbinen in brauchbarer Näherung nachbilden. Auch das Phänomen der Osmose kann mit Hilfe des idealen Gases beschreiben werden.
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Wärmetransport
Wärme (Entropie und Energie) können auf drei Arten transportiert werden
- leitungsartig (durch die Stoffe hindurch)
- konvektiv (zusammen mit den Stoffen)
- strahlungsartig (durch das elektromagnetische Feld)
Das einfache Modell des Energieträgers, wonach die Stärken des Energie- und des Entropiestromes über die absolute Temperatur miteinander verbunden sind, trifft nur bei der Wärmeleitung zu. Bei der Konvektion bewegt ein Stoff die gespeicherte Entropie durch den Raum. Die Wärmestrahlung ist eine Erscheinung des elektromagnetischen Feldes. Dieses ausgedehnte System vermag Entropie und Energie zu speichern und (mit Lichtgeschwindigkeit) zu transportieren
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Kreisprozesse
Wärmekraftmaschinen und Wärmepumpen arbeiten meist mit einem Stoff, der über mehrere Prozesse wieder in den ursprünglichen Zustand überführt wird. In der idealisierten Betrachtungsweise durchläuft der Stoff eine kontinuierliche Abfolge von Gleichgewichtszuständen (idealer oder reversibler Kreisprozess).
Kreisprozesse lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen
- rechts- oder linkslaufend
- getaktet oder kontinuierlich
- raumfestes oder materiefestes Kontrollvolumen
Die letzte Unterscheidung bestimmt die Art der Energiebilanz.
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Chemie
Ist diesem Teilmodul bekommt der Carnotor einen dritten Port. Dieser Port besteht aus einer porösen, sehr dünnen Membran, die an der Seitenwand des Zylinders angebracht ist und die einzelnen Teilchen ungehindert passieren lässt. So kann der Carnotor Entropie, Volumen und Stoffmenge mit der Umgebung austauschen.
Die Stoffmenge ist ein Energieträger mit dem chemischen Potenzial  (Einheit J/mol) als Energiebeladungsmass. Folglich gilt am chemischen Port ein zu den beiden andern analoger Zusammenhang
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Thermodynamik
Die klassische Thermodynamik, von vielen Physikern etwas abschätzig als phänomenologische Theorie bezeichnet, beschreibt die Gleichgewichtszustände eines Stoffes.
Ausgehende von der Energiebilanz bezüglich des Carnotors erhält man - wie im Teilmodul Chemie gezeigt - die Energieänderungsrate in Funktion der Basismengen (Entropie, Volumen und Stoffmenge)
Eine Multiplikation mit dem Zeitschritt dt liefert die Gibbsche Fundamentalform, das Herzstück der quasistatischen Thermodynamik
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Statistische Mechanik
Die Statistische Mechanik liefert eine mikroskopische Erklärung der Thermodynamik in spezielle ausgewählten Modellen.
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Evolution
In einem elementaren Prozess fliesst eine der sieben mengenartigen Grössen vom höheren zum tieferen Potenzial und setzt dabei eine Prozessleistung frei. Wird mit Hilfe der frei gesetzten Energie Entropie erzeugt, ist der Prozess nicht umkehrbar (irreversibel). Irreversible Prozesse beherrschen unseren Alltag und lassen den Glauben aufkommen, dass ohne das Wirken einer höheren Macht alles zerfällt.
Die in einem Prozess frei gesetzte Energie muss nicht vollständig dissipiert werden; ein angemessener Teil kann einen zweiten Prozess treiben. Nun wird seit Jahrmilliarden mit einem verschwindend kleinen Teil der Leistung eines Entropiestromes, der von der Sonne über die Erde in den kalten Weltraum abfliesst, ein immer hochdifferenzierteres System, die Biosphäre, aufgebaut.
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