Um die irreversiblen thermodynamischen Prozesse zu erklären, formulierten Wissenschaftler den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Dieser erklärt, welche Prozesse im Universum ablaufen können und welche nicht. Ein Wissenschaftler namens Robert J. E. Clausius (1822–1888) formulierte dazu Folgendes:
Wärme fließt naturgemäß von Objekten mit hoher Temperatur zu Objekten mit niedriger Temperatur; Wärme fließt naturgemäß nicht von Objekten mit niedriger Temperatur zu Objekten mit hoher Temperatur (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik – Clausius’ Aussage).
Clausius' Aussage ist eine der speziellen Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Sie wird als spezielle Formulierung bezeichnet, da sie nur für einen einzigen Prozess gilt, nämlich die Wärmeübertragung. Da diese Aussage keine anderen Prozesse betrifft, benötigen wir eine allgemeinere Formulierung. Die Entwicklung einer allgemeinen Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik basiert auf der Untersuchung von Wärmekraftmaschinen. Daher betrachten wir zunächst die Wärme in Wärmekraftmaschinen.
Wärmekraftmaschine
Ein Großteil der von uns genutzten Energie stammt aus der chemischen Energie, die in Erdöl, Erdgas und Kohle enthalten ist. Um diese chemische Energie direkt zu nutzen, muss sie zunächst verbrannt werden. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Öl, Erdgas und Kohle) erzeugt in der Regel Wärme. Diese Wärme kann direkt zum Kochen oder Heizen von Räumen genutzt werden. Um etwas zu bewegen (z. B. ein Fahrzeug), muss Wärme in kinetische oder mechanische Energie umgewandelt werden (mechanische Energie = potenzielle Energie + kinetische Energie).
Im Jahr 1700 wurde ein Werkzeug entdeckt, das Wärme zur Verrichtung von Arbeit nutzt: die Dampfmaschine. Sie wurde erstmals eingesetzt, um Wasser aus einem Kohlebergwerk abzupumpen.
Dampfmaschinen wurden eingesetzt, weil Dampf Dinge bewegen kann. Sie enthalten eine Wärmekraftmaschine (ein Gerät zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie). Heutzutage werden Dampfmaschinen zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt. Moderne Wärmekraftmaschinen sind Verbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise in Autos und Motorrädern zum Einsatz kommen.
Die Grundidee von Wärmekraftmaschinen besteht darin, Wärme in mechanische Energie umzuwandeln, wenn Wärme von hohen zu niedrigen Temperaturen abgeleitet wird. Dabei wird ein Teil der Wärme in mechanische Energie umgewandelt (ein Teil wird für Arbeit genutzt), ein anderer Teil wird an den kälteren Stellen abgegeben. Der Prozess der Energieumwandlung und des Energietransfers in der Wärmekraftmaschine wird in diesem Diagramm veranschaulicht.
Hohe Temperatur (TH) und niedriger Temperatur (TL) werden als Maschinenbetriebstemperatur bezeichnet. QH Die Wärme, die von der hohen Temperatur abfließt, ist Q.L Hierbei handelt es sich um Wärme, die zum Ort niedrigerer Temperatur fließt. Beim Wärmefluss von hohen zu niedrigen Temperaturen wird ein Teil der Wärme in mechanische Energie umgewandelt (und zur Arbeit genutzt), ein anderer Teil wird als Wärme Q abgeführt.LNicht die gesamte Wärme kann in Arbeit (W) umgewandelt werden; es wird immer auch Wärme freigesetzt (Q).LDaher gilt aufgrund der Energieerhaltung: QH = W + QL.
Es gibt verschiedene Wärmekraftmaschinen, darunter Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren.
Dampfmaschine
Dampfmaschinen nutzen Wasserdampf als Wärmeträger. Dampf dient als Arbeitsmedium. Es gibt zwei Arten von Dampfmaschinen: Wechselstrom- und Turbinendampfmaschinen. Obwohl sie unterschiedlich konstruiert sind, verwenden beide Dampfmaschinentypen Dampf, der durch die Verbrennung von Öl, Gas, Kohle oder Kernenergie erhitzt wird.
Verbrennungsmotoren
Motorrad- und Automotoren sind Beispiele für Verbrennungsmotoren. Sie werden als Verbrennungsmotoren bezeichnet, weil der Verbrennungsprozess in geschlossenen Zylindern stattfindet. Die Existenz eines Verbrennungsmotors beruht auf dem ingenieurtechnischen Prinzip der adiabatischen Kompression und Expansion.
Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen
Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine (e) ist ein Vergleich zwischen der von der Maschine verrichteten Arbeit (W) und der zugeführten Wärmemenge bei hoher Temperatur (Q H ).
W ist der erzielte Gewinn, Q<sub> H </sub> die Kosten für Kauf und Verbrauch von Brennstoff. Da wir Menschen stets nach maximalem Gewinn und minimalem Aufwand streben, hoffen wir, dass der Gewinnanstieg (W) proportional zu den Kosten (Q<sub> H </sub> ) ist. Ist das möglich?
Aufgrund des Energieerhaltungssatzes muss die Wärme (Q H ) gleich der Arbeit (W) + der abgegebenen Wärme (Q L ) sein.
Ersetze W in Gleichung 1 durch W in Gleichung 2
Dies ist die Gleichung für den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen.
Frage 1:
Eine Wärmekraftmaschine nimmt 3000 Joule (Q<sub> H</sub> ) Wärme auf, verrichtet Arbeit (W) und gibt 2500 Joule (Q<sub> L</sub> ) Wärme ab. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
Lösung
Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine = 17%.
Frage 2:
Eine Wärmekraftmaschine nimmt 3000 Joule Wärme (Q<sub> H</sub> ) auf, verrichtet Arbeit (W) und gibt 2000 Joule Wärme (Q<sub> L</sub> ) ab. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
Lösung
Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine = 34%.
Frage 3:
Eine Wärmekraftmaschine nimmt 3000 Joule Wärme (Q<sub> H</sub> ) auf, verrichtet Arbeit (W) und gibt bis zu 1500 Joule Wärme (Q<sub> L</sub> ) ab. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
Lösung
Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine = 50%.
