Was ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – Definition

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (2. Hauptsatz) ist die Untersuchung von Energieumwandlungssystemen. Sie legt eine Obergrenze für die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Wärmekraftmaschinen fest. Wärmetechnik

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Die Entropie eines isolierten Systems nimmt niemals ab. In einem natürlichen thermodynamischen Prozess nimmt die Summe der Entropien der wechselwirkenden thermodynamischen Systeme zu.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - WärmekraftmaschinenDieses Gesetz gibt die Unumkehrbarkeit der natürlichen Prozesse . Reversible Prozesse sind eine nützliche und bequeme theoretische Fiktion, kommen aber in der Natur nicht vor. Aus diesem Gesetz folgt, dass es unmöglich ist, eine Vorrichtung zu konstruieren, die in einem Zyklus arbeitet und deren einzige Wirkung die Übertragung von Wärme von einem kühleren Körper auf einen heißeren Körper ist. Daraus folgt, dass Perpetual-Motion-Maschinen der zweiten Art unmöglich sind.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist ein allgemeines Prinzip, das über die durch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Grenzen hinausgeht . Das erste Gesetz wird verwendet, um die verschiedenen an einem Prozess beteiligten Energien in Beziehung zu setzen und zu bewerten. Durch Anwendung des ersten Gesetzes können jedoch keine Informationen über die Richtung des Prozesses erhalten werden. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik schränkt die Richtung der Wärmeübertragung ein und setzt eine Obergrenze für die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Wärmekraftmaschinen . Das zweite Gesetz ist also für viele wichtige praktische Probleme direkt relevant.

Einer der Anwendungsbereiche des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist die Untersuchung von Energieumwandlungssystemen. Beispielsweise ist es nicht möglich, die gesamte Energie, die aus einer Kohle in einem Kohlekraftwerk oder aus einem Kernreaktor in einem Kernkraftwerk gewonnen wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Der Konvertierungsprozess muss Verluste verursachen .

Richtung thermodynamischer Prozesse

Viele thermodynamische Prozesse verlaufen natürlich in eine Richtung, aber nicht in die entgegengesetzte. Wenn beispielsweise ein Temperaturunterschied besteht, fließt die Wärme spontan vom wärmeren System zum kälteren System , niemals umgekehrt. Tatsächlich würde ein solcher Wärmefluss (von einem kälteren Körper zu einem wärmeren System) nicht gegen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen , dh Energie würde erhalten bleiben. Aber es kommt in der Natur nicht vor.

Das Verbrennen von Benzin zum Antrieb von Autos ist beispielsweise ein Energieumwandlungsprozess, auf den wir uns verlassen. Die chemische Energie in Benzin wird in Wärmeenergie umgewandelt , die dann in mechanische Energie umgewandelt wird , die das Auto bewegt. Die mechanische Energie wurde in kinetische Energie umgewandelt . Wenn wir die Bremsen verwenden, um ein Auto anzuhalten, wird diese kinetische Energie durch Reibung zurück in Wärme oder Wärmeenergie umgewandelt . In dieser umgekehrten Richtung gibt es viele Geräte, die Wärme teilweise in mechanische Energie umwandeln. Sie können jedoch keine Maschine bauen, die Wärme vollständig in mechanische Energie umwandelt. Es wird immer erhebliche Energieverluste geben.

Richtungen thermodynamischer Prozesse unterliegen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, insbesondere der Clausius-Aussage des zweiten Hauptsatzes .

Verschiedene Gesetzeserklärungen

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann auf viele spezifische Arten ausgedrückt werden. Jede Aussage drückt das gleiche Gesetz aus. Nachfolgend sind drei aufgeführt, die häufig auftreten.

  • Clausius-Erklärung
  • Kelvin-Planck-Erklärung
  • Entropie und das zweite Gesetz

Vor diesen Aussagen müssen wir an die Arbeit eines französischen Ingenieurs und Physikers erinnern  ,Nicolas Léonard Sadi Carnot, der das Studium des zweiten Gesetzes vorangetrieben hat, indem er ein Prinzip ( auchCarnots Regel genannt ) formuliert hat , das Grenzen für den maximalen Wirkungsgrad festlegt, den eine Wärmekraftmaschine erreichen kann .

Clausius Erklärung des zweiten Gesetzes

Clausius Erklärung des zweiten GesetzesEine der frühesten Aussagen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik wurde 1850 von R. Clausius gemacht . Er erklärte Folgendes.

„Es ist unmöglich, ein Gerät zu konstruieren, das in einem Zyklus arbeitet und dessen einzige Wirkung die Übertragung von Wärme von einem kühleren Körper auf einen heißeren Körper ist.“

Wärme kann nicht spontan vom kalten zum heißen System fließen , ohne dass externe Arbeiten am System durchgeführt werden. Genau das leisten Kühlschränke und Wärmepumpen. In einem Kühlschrank fließt die Wärme von kalt nach heiß, aber nur wenn sie durch eine externe Arbeit erzwungen wird, werden Kühlschränke von Elektromotoren angetrieben, für deren Betrieb Arbeiten aus ihrer Umgebung erforderlich sind.

Die Aussagen von Clausius und Kelvin-Planck haben sich als gleichwertig erwiesen.

Kelvin-Planck-Erklärung des zweiten Gesetzes

Kelvin-Planck-Erklärung des zweiten Gesetzes„Es ist unmöglich, ein Gerät zu konstruieren, das in einem Zyklus arbeitet und keinen anderen Effekt als die Erzeugung von Arbeit und die Übertragung von Wärme von einem einzelnen Körper erzeugt.“

Diese Aussage wird mit dem Begriff „ Wärmespeicher “ oder „ Einzelspeicher “ bezeichnet. Ein Reservoir ist ein großes Objekt, bei dem die Temperatur konstant bleibt, während Energie extrahiert wird. Ein solches System kann auf verschiedene Weise angenähert werden – durch die Erdatmosphäre, große Gewässer wie Seen, Ozeane und so weiter.

Die Kelvin-Planck-Aussage schließt die Existenz eines Systems nicht aus, das aus einem Wärmeübergang, der aus einem Wärmespeicher entnommen wird, einen Nettoarbeitsaufwand entwickelt. Nach dieser Aussage kann ein System, das einen Zyklus durchläuft, aus einem Wärmeübergang, der aus einem Wärmespeicher entnommen wird, keine positive Nettoarbeitsmenge entwickeln.

Entropie und das zweite Gesetz

Ts Diagramm eines thermodynamischen Zyklus
Ts-Diagramm des Rankine-Zyklus

Eine Konsequenz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist die Entwicklung der physikalischen Eigenschaft der Materie, die als Entropie (S) bekannt ist . Die Änderung dieser Eigenschaft wird verwendet, um die Richtung zu bestimmen, in die ein bestimmter Prozess abläuft. Die Entropie quantifiziert die Energie einer Substanz, die nicht mehr für nützliche Arbeiten zur Verfügung steht . Dies bezieht sich auf das zweite Gesetz, da das zweite Gesetz vorhersagt, dass nicht die gesamte Wärme, die einem Kreislauf zugeführt wird, in den gleichen Arbeitsaufwand umgewandelt werden kann. Es muss eine gewisse Wärmeabgabe stattfinden.

Siehe auch: Entropie

Nach Clausius wurde die Entropie über die Änderung der Entropie S eines Systems definiert. Die Änderung der Entropie S, wenn ihr durch einen reversiblen Prozess bei konstanter Temperatur eine Wärmemenge Q zugesetzt wird, ist gegeben durch:

Entropie-Gleichung

Hier ist Q die Energie, die während des Prozesses als Wärme zum oder vom System übertragen wird, und T ist die Temperatur des Systems in Kelvin während des Prozesses. Die SI – Einheit für die Entropie ist J / K .

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann auch als ∆S≥0 für einen geschlossenen Kreislauf ausgedrückt werden.

In Worten:

Die Entropie eines isolierten Systems nimmt niemals ab. In einem natürlichen thermodynamischen Prozess nimmt die Summe der Entropien der wechselwirkenden thermodynamischen Systeme zu.

∆S≥0

Da die Entropie so viel über die Nützlichkeit einer bei der Ausführung von Arbeiten übertragenen Wärmemenge aussagt, enthalten die Dampftabellen Werte der spezifischen Entropie (s = S / m) als Teil der tabellierten Informationen.

Wärmekraftmaschinen

Energiequellen haben immer eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft gespielt. Energie ist im Allgemeinen definiert als das Potenzial, Arbeit zu leisten oder Wärme zu erzeugen . Manchmal ist es wie die „Währung“ für die Ausführung von Arbeiten. Eine der wunderbarsten Eigenschaften des Universums ist, dass Energie von einem Typ in einen anderen umgewandelt und von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann .

Im Allgemeinen ist es einfach, Wärmeenergie durch Arbeiten zu erzeugen , beispielsweise durch einen beliebigen Reibungsprozess. Es ist jedoch schwieriger , Arbeit mit Wärmeenergie zu bekommen . Es ist eng mit dem Konzept der Entropie verbunden . Zum Beispiel ist Elektrizität besonders nützlich, da sie eine sehr niedrige Entropie aufweist (hochgeordnet ist) und sehr effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann .

Manchmal steht mechanische Energie direkt zur Verfügung, zum Beispiel Windkraft und Wasserkraft. Der größte Teil unserer Energie stammt jedoch aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl und Gas) und aus Kernreaktionen . Derzeit sind fossile Brennstoffe immer noch die weltweit vorherrschende Energiequelle. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wird jedoch nur Wärmeenergie erzeugt . Daher handelt es sich bei diesen Energiequellen um sogenannte „ Primärenergiequellen “, die in sekundäre Energiequellen umgewandelt werden müssen , sogenannte Energieträger ( elektrische Energie usw.). Um Wärmeenergie in eine andere Energieform umzuwandeln, eine Wärmekraftmaschine muss benutzt werden.

Im Allgemeinen ist eine Wärmekraftmaschine eine Vorrichtung, die chemische Energie in Wärme oder Wärmeenergie und dann in mechanische Energie oder in elektrische Energie umwandelt.

Beispiel einer Wärmekraftmaschine
Der Rankine-Zyklus beschreibt genau die Prozesse in dampfbetriebenen Wärmekraftmaschinen, die in den meisten Wärmekraftwerken üblich sind.

Viele Wärmekraftmaschinen  arbeiten zyklisch, indem sie in einem Teil des Zyklus Energie in Form von Wärme hinzufügen und diese Energie verwenden, um in einem anderen Teil des Zyklus nützliche Arbeit zu leisten.
Wie in allen herkömmlichen Wärmekraftwerken üblich, wird  die Wärme beispielsweise zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Dampfturbine antreibt, die mit einem Generator verbunden ist, der Strom erzeugt. Dampferzeuger , Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen bilden eine Wärmekraftmaschine , die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Wirkungsgradbeschränkungen unterliegt . In modernen Kernkraftwerken geht es um den thermodynamischen Gesamtwirkungsgradein Drittel (33%), so dass 3000 MWth Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrischen Strom zu erzeugen .

Arten von Wärmekraftmaschinen

Im Allgemeinen werden Wärmekraftmaschinen nach einem Verbrennungsort wie folgt kategorisiert:

  • Verbrennungsmotor. Beispielsweise sind Dampfmaschinen externe Verbrennungsmotoren, bei denen das Arbeitsfluid von den Verbrennungsprodukten getrennt ist.
  • Verbrennungsmotor. Ein typisches Beispiel für einen Verbrennungsmotor ist ein Automobil, bei dem die hohe Temperatur durch Verbrennen des Benzin-Luft-Gemisches im Zylinder selbst erreicht wird.

Die detaillierte Kategorisierung basiert auf einem Arbeitsmedium, das im thermodynamischen Zyklus verwendet wird:

  • Gaszyklen. In diesen Kreisprozessen ist das Arbeitsfluid immer ein Gas. Der Otto-Zyklus und der Diesel-Zyklus (verwendet werden Automobile) sind ebenfalls typische Beispiele für Nur-Gas-Kreisprozessen. Moderne Gasturbinentriebwerke und luftatmende Strahltriebwerke, die ebenfalls auf dem Nur-Gas-Zyklus basieren, folgen dem Brayton-Zyklus.
  • Flüssigkeitszyklen. Nur-Flüssigkeit-Kreisprozessen sind ziemlich exotisch. In diesen Kreisprozessen ist das Arbeitsfluid immer eine Flüssigkeit. Der Malone-Flüssigkeitsmotor ist ein Beispiel für einen Nur-Flüssigkeit-Zyklus. Der Malone-Flüssigkeitsmotor war eine Modifikation des Stirling-Zyklus, bei dem Wasser als Arbeitsmedium anstelle von Gas verwendet wurde
  • Kreisprozessen mit Phasenänderungen. Dampfmaschinen sind typische Beispiele für externe Motoren mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums.

Beispiel einer Wärmekraftmaschine

technische Thermodynamik
Rankine-Zyklus – Thermodynamik als Energieumwandlungswissenschaft

Dampfmaschinen und Kühlschränke sind typische Beispiele für externe Motoren mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums. Ein typischer thermodynamischer Zyklus, der zur Analyse dieses Prozesses verwendet wird, wird als Rankine-Zyklus bezeichnet , bei dem normalerweise Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird.

Der Rankine-Zyklus beschreibt genau die Prozesse in dampfbetriebenen Wärmekraftmaschinen, die in den meisten Wärmekraftwerken üblich sind . Die in diesen Kraftwerken verwendeten Wärmequellen sind normalerweise die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas oder auch die Kernspaltung .

Ein Kernkraftwerk (Kernkraftwerk) sieht mit einer Ausnahme wie ein Standard-Wärmekraftwerk aus. Die Wärmequelle im Kernkraftwerk ist ein Kernreaktor . Wie in allen herkömmlichen Wärmekraftwerken üblich, wird die Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Dampfturbine antreibt, die mit einem Generator verbunden ist, der Strom erzeugt.

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen erhält die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung; 6 MPa ; 275,6 ° C) von einem Dampferzeuger und leitet ihn zum Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) ab ). Der Dampf muss erneut erwärmt werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten . Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und dann wird der Dampf zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der ausgestoßene Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem atmosphärischen Druck liegt (absoluter Druck von0,008 MPa ) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%.

In diesem Fall stellen Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine Wärmekraftmaschine dar, die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Wirkungsgradbeschränkungen unterliegt . Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) hätte diese Wärmekraftmaschine einen Carnot-Wirkungsgrad von

= 1 – T kalt / T heiß = 1 – 315/549 = 42,6%

Wenn die Temperatur des heißen Reservoirs 275,6 ° C (548,7 K) beträgt, beträgt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 ° C (314,7 K). Das Kernkraftwerk ist jedoch die eigentliche Wärmekraftmaschine , in der thermodynamische Prozesse irgendwie irreversibel sind. Sie werden nicht unendlich langsam gemacht. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung und Wärmeverluste weitere Wirkungsgradverluste.

Daher haben Kernkraftwerke normalerweise einen Wirkungsgrad von etwa 33%. In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), sodass 3000 MWth Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrischen Strom zu erzeugen .

Nach dem Prinzip höhere Wirkungsgrade der Carnot kann durch Erhöhung der erreicht werden Temperatur des Dampfes. Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern. Metallurgische Überlegungen begrenzen solche Drücke jedoch. Unter diesem Gesichtspunkt werden überkritische Wasserreaktoren aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads als vielversprechender Fortschritt für Kernkraftwerke angesehen (~ 45% gegenüber ~ 33% für aktuelle LWR). SCWRs werden bei überkritischem Druck (dh größer als 22,1 MPa) betrieben.

Wärmewirkungsgrad und das zweite Gesetz

Eine ideale Wärmekraftmaschine ist eine imaginäre Maschine, bei der Energie, die als Wärme aus dem Hochtemperaturspeicher gewonnen wird, vollständig in Arbeit umgewandelt wird. Nach der Aussage von Kelvin-Planck würde ein solcher Motor jedoch gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen, da der Umwandlungsprozess Verluste verursachen muss. Die dem System zugeführte Nettowärme muss höher sein als die vom System geleistete Nettowärme.

Kelvin-Planck-Aussage:

„Es ist unmöglich, ein Gerät zu konstruieren, das in einem Zyklus arbeitet und keinen anderen Effekt als die Erzeugung von Arbeit und die Übertragung von Wärme von einem einzelnen Körper erzeugt.“

Formel für den thermischen Wirkungsgrad

Als ein Ergebnis dieser Anweisung definieren wir den thermischen Wirkungsgrad , η th , ein Wärmekraftmaschine als das Verhältnis der Arbeits es tut, W , an den Wärmeeingang bei der hohen Temperatur, Q H .

Formel für den thermischen Wirkungsgrad - 1

Der thermische Wirkungsgrad , η th , stellt den Anteil an Wärme , H , die konvertiert wird , zu arbeiten . Es ist ein dimensionsloses Leistungsmaß für eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie verwendet, z. B. eine Dampfturbine, eine Verbrennungsmaschine oder einen Kühlschrank. Bei einer Kälte- oder Wärmepumpe gibt der thermische Wirkungsgrad an, inwieweit die durch Arbeit hinzugefügte Energie in Nettowärmeleistung umgewandelt wird. Da es sich um eine dimensionslose Zahl handelt, müssen wir W, Q H und Q C immer in denselben Einheiten ausdrücken .

Da Energie nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik eingespart wird und Energie nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden kann , muss der Wärmeeintrag Q H gleich der geleisteten Arbeit W plus der Wärme sein, die als Abwärme Q C an die abgegeben werden muss Umgebung. Daher können wir die Formel für den thermischen Wirkungsgrad wie folgt umschreiben:

Formel für den thermischen Wirkungsgrad - 2

Um den Wirkungsgrad in Prozent anzugeben, multiplizieren wir die vorherige Formel mit 100. Beachten Sie, dass η th nur dann 100% sein kann, wenn die Abwärme Q C Null ist.

Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad selbst der besten Wärmekraftmaschinen recht gering. Kurz gesagt, es ist sehr schwierig , Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln . Die thermischen Wirkungsgrade liegen üblicherweise unter 50% und oft weit darunter. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie es mit den Wirkungsgraden von Wind- oder Wasserkraft vergleichen (Windkraftanlagen sind keine Wärmekraftmaschinen). Es gibt keine Energieumwandlung zwischen thermischer und mechanischer Energie.

Ursachen für Ineffizienz

Wie bereits erwähnt, kann ein Wirkungsgrad zwischen 0 und 1 liegen. Jede Wärmekraftmaschine ist irgendwie ineffizient. Diese Ineffizienz kann auf drei Ursachen zurückgeführt werden.

  • Irreversibilität von Prozessen . Es gibt eine theoretische Obergrenze für die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Arbeit in jeder Wärmekraftmaschine. Diese Obergrenze wird als Carnot-Effizienz bezeichnet . Nach dem Carnot-Prinzip kann kein Motor effizienter sein als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturbehältern betrieben wird. Wenn beispielsweise der heiße Vorratsbehälter T heiß von 400 ° C (673 K) und T kalt von etwa 20 ° C (293 K) aufweist, beträgt der maximale (ideale) Wirkungsgrad: = 1 – T kalt / T heiß = 1 – 293 / 673 = 56%. Aber alle realen thermodynamischen Prozesse sind irgendwie irreversibel. Sie werden nicht unendlich langsam gemacht. Daher müssen Wärmekraftmaschinen aufgrund der inhärenten Irreversibilität des von ihnen verwendeten Wärmekraftmaschinenzyklus niedrigere Wirkungsgrade als Grenzwerte für ihren Wirkungsgrad aufweisen.
  • Vorhandensein von Reibung und Wärmeverlusten. In realen thermodynamischen Systemen oder in realen Wärmekraftmaschinen ist ein Teil der Ineffizienz des Gesamtzyklus auf die Verluste der einzelnen Komponenten zurückzuführen. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung , Wärmeverluste und Verluste im Verbrennungsprozess weitere Effizienzverluste.
  • Design-Ineffizienz . Die letzte und auch wichtige Ursache für Ineffizienzen sind die Kompromisse, die Ingenieure bei der Konstruktion einer Wärmekraftmaschine (z. B. eines Kraftwerks) eingegangen sind. Sie müssen Kosten und andere Faktoren bei der Auslegung und dem Betrieb des Zyklus berücksichtigen. Betrachten Sie als Beispiel eine Auslegung des Kondensators in den Wärmekraftwerken. Idealerweise würde der in den Kondensator abgegebene Dampf keine Unterkühlung aufweisen . Echte Kondensatoren sind jedoch so ausgelegt, dass sie die Flüssigkeit um einige Grad Celsius unterkühlen, um die Saugkavitation in den Kondensatpumpen zu vermeiden . Diese Unterkühlung erhöht jedoch die Ineffizienz des Kreislaufs, da mehr Energie zum Wiedererhitzen des Wassers benötigt wird.

Wärmewirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen

Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad selbst der besten Wärmekraftmaschinen recht gering. Kurz gesagt, es ist sehr schwierig, Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln . Die thermischen Wirkungsgrade liegen üblicherweise unter 50% und oft weit darunter.

Takaishi, Tatsuo;  Numata, Akira;  Nakano, Ryouji;  Sakaguchi, Katsuhiko (März 2008).
Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (März 2008). „Ansatz für hocheffiziente Diesel- und Gasmotoren“ (PDF). Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 45 (1). Abgerufen am 04.02.2011.

Es ist einfach, Wärmeenergie durch Arbeiten zu erzeugen, beispielsweise durch einen beliebigen Reibungsprozess. Es ist jedoch schwieriger, Arbeit mit Wärmeenergie zu bekommen. Es ist eng mit dem Konzept der Entropie verbunden , das die Energie einer Substanz quantifiziert, die nicht mehr für nützliche Arbeiten zur Verfügung steht. Zum Beispiel ist Elektrizität besonders nützlich, da sie eine sehr niedrige Entropie aufweist (hochgeordnet ist) und sehr effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann . Seien Sie vorsichtig, wenn Sie es mit den Wirkungsgraden von Wind- oder Wasserkraft vergleichen (Windkraftanlagen sind keine Wärmekraftmaschinen). Es gibt keine Energieumwandlung zwischen thermischer und mechanischer Energie.

Der thermische Wirkungsgrad verschiedener Wärmekraftmaschinen, die heute entwickelt oder verwendet werden, hat einen großen Bereich:

Beispielsweise:

Transport

  • In der Mitte des 20. Jahrhunderts hatte eine typische Dampflokomotive einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 6% . Das bedeutet, dass pro 100 MJ verbrannter Kohle 6 MJ mechanische Leistung erzeugt wurden.
  • Ein typischer Benzinmotor arbeitet mit einem thermischen Wirkungsgrad von etwa 25% bis 30% . Etwa 70-75% werden als Abwärme verworfen, ohne in nützliche Arbeit umgewandelt zu werden, dh Arbeit, die an Räder geliefert wird.
  • Ein typischer Dieselmotor arbeitet mit etwa 30% bis 35% . Im Allgemeinen sind Motoren, die den Dieselzyklus verwenden, normalerweise effizienter.
  • 2014 wurden neue Vorschriften für Formel-1-Fahrzeuge eingeführt . Diese Motorsportbestimmungen haben die Teams dazu gedrängt, hocheffiziente Aggregate zu entwickeln. Laut Mercedes erreicht ihr Triebwerk jetzt mehr als 45% und einen thermischen Wirkungsgrad von nahezu 50%, dh 45 – 50% der potenziellen Energie im Kraftstoff wird an Räder abgegeben.
  • Der Dieselmotor hat den höchsten thermischen Wirkungsgrad aller praktischen Verbrennungsmotoren. Dieselmotoren mit niedriger Drehzahl (wie sie in Schiffen verwendet werden) können einen thermischen Wirkungsgrad von mehr als 50% aufweisen . Der größte Dieselmotor der Welt erreicht mit 51,7% Spitzenwerte.

Energietechnik

  • Umwandlung der thermischen Energie des Ozeans (OTEC). OTEC ist eine hochentwickelte Wärmekraftmaschine, die den Temperaturunterschied zwischen kühlerem, tiefem und wärmerem Oberflächenwasser nutzt, um eine Niederdruckturbine zu betreiben. Da der Temperaturunterschied mit etwa 20 ° C gering ist, ist auch sein thermischer Wirkungsgrad mit etwa 3% sehr gering .
  • In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), sodass 3000 MWth Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrischen Strom zu erzeugen . Höhere Wirkungsgrade können durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes erreicht werden . Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern. Metallurgische Überlegungen begrenzen solche Drücke jedoch. Im Vergleich zu anderen Energiequellen ist der thermische Wirkungsgrad von 33% nicht viel. Es ist jedoch zu beachten, dass Kernkraftwerke viel komplexer sind als Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen und es viel einfacher ist, fossile Brennstoffe zu verbrennen, als Energie aus Kernbrennstoffen zu erzeugen .
  • Unterkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die unter kritischem Druck (dh unter 22,1 MPa) betrieben werden, können einen Wirkungsgrad von 36–40% erreichen.
  • Die überkritischen Wasserreaktoren gelten aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads als vielversprechender Fortschritt für Kernkraftwerke (~ 45% gegenüber ~ 33% bei aktuellen LWR).
  • Überkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die mit überkritischem Druck (dh mehr als 22,1 MPa) betrieben werden, weisen Wirkungsgrade von rund 43% auf . Die effizientesten und auch sehr komplexen Kohlekraftwerke, die bei „extrem kritischen“ Drücken (dh etwa 30 MPa) betrieben werden und eine mehrstufige Wiedererwärmung verwenden, erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 48% .
  • Moderne kombinierte Gasturbinenanlagen (CCGT), bei denen der thermodynamische Kreislauf aus zwei Kraftwerkszyklen besteht (z. B. der Brayton-Kreislauf und der Rankine-Kreislauf), können im Gegensatz zu einem Dampfkreislauf einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 55% erreichen Kraftwerk, das auf Wirkungsgrade von ca. 35-45% begrenzt ist.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.