Was ist Thermodynamik – Definition

Thermodynamik ist die Wissenschaft, die sich mit Energieerzeugung, -speicherung, -transfer und -umwandlung befasst. Die Thermodynamik untersucht die Auswirkungen von Arbeit, Wärme und Energie auf ein System. Wärmetechnik

Thermodynamik

Thermodynamik - Boltzman-GleichungKenntnisse der Thermodynamik sind für Nuklearingenieure , die sich mit Kernkraftreaktoren beschäftigen, von wesentlicher Bedeutung . Ein Kernkraftwerk (Atomkraftwerk) sieht mit einer Ausnahme wie ein Standard-Wärmekraftwerk aus. Die Wärmequelle im Kernkraftwerk ist ein Kernreaktor . Wie in vielen konventionellen Wärmekraftwerken üblich, wird die Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Dampfturbine antreibt, die an einen Generator angeschlossen ist, der Elektrizität erzeugt.

Thermodynamik ist die Wissenschaft, die sich mit Energieerzeugung, -speicherung, -transfer und -umwandlung befasst. Es untersucht die Auswirkungen von Arbeit , Wärme und Energie auf ein System. Obwohl es sich um ein sehr breites Thema handelt , das die meisten Bereiche der Wissenschaft betrifft, einschließlich Biologie und Mikroelektronik, werden wir uns hauptsächlich mit groß angelegten Beobachtungen befassen. Kleinräumige Wechselwirkungen werden in der kinetischen Theorie der Gase beschrieben.Historisch gesehen , Thermodynamik wurde geboren im 19. Jahrhundert als Wissenschaftler wurden zuerst entdecken , wie der Bau und Betrieb Dampfmaschinen . Insbesondere durch die Arbeit des französischen Physikers Nicolas Léonard Sadi Carnot, der 1824 das Konzept des Wärmekraftkreislaufs und das Prinzip der Reversibilität einführte . Der schottische Physiker Lord Kelvin formulierte 1854 erstmals eine präzise Definition der Thermodynamik Begrenzung des maximalen Arbeitsaufwands, der mit einer Dampfmaschine erzielt werden kann, die mit einem Wärmeübergang bei hoher Temperatur als Antriebskraft arbeitet. In späteren Jahren wurden die Gesetze der Thermodynamik entwickelt. Thermodynamikbasiert hauptsächlich auf einem Satz von vier Gesetzen, die universell gültig sind, wenn sie auf Systeme angewendet werden, die den von jedem implizierten Einschränkungen entsprechen.

Technische Thermodynamik
Rankine-Zyklus – Thermodynamik als Energieumwandlungswissenschaft

Die Thermodynamik ist sowohl ein Zweig der Physik als auch eine Ingenieurwissenschaft . Der Physiker ist normalerweise daran interessiert, ein grundlegendes Verständnis des physikalischen und chemischen Verhaltens fester Materiemengen in Ruhe zu erlangen, und verwendet die Gesetze der Thermodynamik, um die Eigenschaften der Materie in Beziehung zu setzen. Ingenieure sind im Allgemeinen daran interessiert, Energiesysteme zu untersuchen und wie sie mit ihrer Umgebung interagieren. Um dies zu erleichtern, erweitern die Ingenieure das Thema Thermodynamik auf das Studium offener Systeme , bei denen Wärme, Arbeit und Masse in das Regelvolumen geleitet oder aus diesem herausgeführt werden können.

Unser Ziel wird es sein, die Thermodynamik als Energieumwandlungswissenschaft einzuführen und einige der grundlegenden Konzepte und Definitionen vorzustellen, die für das Studium der technischen Thermodynamik verwendet werden . Diese grundlegenden Konzepte und Definitionen werden auch auf Energiesysteme und schließlich auf Wärme- oder  Kernkraftwerke angewendet .

Beschreibung des Kernkraftwerks
Hauptmerkmale von Kernkraftwerken mit PWR-Reaktor (Pressurized Water Reactor).

Ein typisches Kernkraftwerk hat eine Stromerzeugungskapazität von 1000 MWe . 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 an einen Generator angeschlossen ist, der Elektrizität erzeugt. Die Turbinen sind Wärmekraftmaschinen und unterliegen den Wirkungsgradbeschränkungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik . In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), sodass 3000 MWth der thermischen Leistung aus der Spaltreaktion zur Erzeugung von 1000 MWe benötigt werden von elektrischer Energie.

In den folgenden Abschnitten werden wir mit dem Problem umgehen, wie man die thermische Energie umwandeln im Innern des Reaktors in der erzeugte elektrische Energie in einem effektivste Weg .

Gesetze der Thermodynamik

Es gibt vier Gesetze der Thermodynamik , die grundlegende physikalische Größen (Temperatur, Energie und Entropie) definieren und thermodynamische Systeme im thermischen Gleichgewicht charakterisieren . Diese gelten als eines der wichtigsten Gesetze der gesamten Physik. Die Gesetze lauten wie folgt:

Zeroth-Gesetz der Thermodynamik:

Befinden sich zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht, befinden sie sich im thermischen Gleichgewicht miteinander.  

Dieses Gesetz bietet eine Definition und Methode zur Definition von Temperaturen, möglicherweise die wichtigste intensive Eigenschaft eines Systems bei der Behandlung von Problemen bei der Umwandlung von Wärmeenergie.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik:

Die Zunahme der inneren Energie eines geschlossenen Systems entspricht der dem System zugeführten Wärme abzüglich der von ihm geleisteten Arbeit.  

Dieses Gesetz ist das Prinzip der Energieeinsparung . Es ist das wichtigste Gesetz für die Analyse der meisten Systeme und die, die quantifiziert , wie thermische Energie umgewandelt in andere Energieformen . Daraus folgt, dass Perpetual-Motion-Maschinen der ersten Art unmöglich sind.

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.  

Dieses 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.

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik:

Die Entropie eines Systems nähert sich einem konstanten Wert, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert.

Basierend auf empirischen Beweisen besagt dieses Gesetz, dass die Entropie einer reinen kristallinen Substanz beim absoluten Nullpunkt der Temperatur 0 K Null ist und dass es mit keinem noch so idealisierten Verfahren möglich ist, die Temperatur eines Systems zu senken in einer endlichen Anzahl von Schritten auf den absoluten Nullpunkt. Dies ermöglicht es uns, einen Nullpunkt für die Wärmeenergie eines Körpers zu definieren.

Populäre Version der Gesetze der Thermodynamik

0. Sie müssen das Spiel spielen.

1. Du kannst nicht gewinnen; Sie können nur die Gewinnschwelle erreichen.

2. Sie können nur bei absolutem Nullpunkt die Gewinnschwelle erreichen.

3. Sie können den absoluten Nullpunkt nicht erreichen.

Umfangreiche Eigenschaften – Intesive Eigenschaften

  • Umfangreiche Eigenschaften – Intesive Eigenschaften
  • Spezifische Eigenschaften

Was ist Energie?

Die Sonne
Die Sonne erzeugt ihre Energie durch Kernfusion von Wasserstoffkernen zu Helium. In ihrem Kern verschmilzt die Sonne pro Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff.
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Der Begriff Energie ist sehr, sehr weit gefasst und hat viele Definitionen. Technisch gesehen ist Energie eine skalare physikalische Größe , die dem Zustand eines oder mehrerer Objekte zugeordnet ist. 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. Sie müssen Energie haben, um Arbeit zu leisten. Um 1 Kilojoule Arbeit zu erledigen, müssen Sie 1 Kilojoule Energie verbrauchen. Es muss hinzugefügt werden, diese Interpretation kann irreführend sein, da nicht unbedingt Energie für die Arbeit zur Verfügung steht.

Eine der schönsten Eigenschaften des Universums ist , dass Energie umgewandelt werden kann von einem Typ in einen anderen und übertragen von einem Objekt zum anderen. Darüber hinaus ist die Gesamtenergiemenge immer gleich , wenn sie von einem Typ zu einem anderen transformiert und von einem Objekt zu einem anderen übertragen wird . Es ist eine der elementaren Eigenschaften des Universums.

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 .

Wärmekraftmaschinen

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

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. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt jedoch  nur Wärmeenergie . Daher werden diese Energiequellen als „ Primärenergiequellen “ bezeichnet, 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.

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 stellen eine  Wärmekraftmaschine dar , die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Wirkungsgradbeschränkungen unterliegt  . In modernen  Kernkraftwerken geht es um  den thermodynamischen Gesamtwirkungsgrad ein Drittel  (33%), so dass  3000 MWth  Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe  elektrischen Strom zu erzeugen  .

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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.