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Thermodynamik

Das wohl zentralste Thema bzw. Aufgabengebiet der Thermodynamik – die gerne auch als Wärmelehre bezeichnet wird – ist die Energie. Sie bildet somit die Grundlage aller Ingenieursdisziplinen, da sie im Grunde genommen die allgemeine Energielehre innerhalb der klassischen Physik abbildet. Ein typisches und altbekanntes Beispiel für einen thermodynamischen Prozess ist die Dampfmaschine. Die Grundaufgabe der Thermodynamik besteht zudem darin, dass Verfahren entwickelt und beschrieben werden, welche zur Energieübertragung sowie Energiewandlung benutzt werden können. Dazu sind selbstverständlich noch Maschinen und Apparate notwendig, die mit Hilfe von Fluiden (Gase oder Flüssigkeiten) diese Energieumwandlungen vollziehen.

Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre

Der erste Hauptsatz geht im Grunde genommen nochmals auf den Energiebegriff als solches ein und beschreibt die Erhaltung der Energie in der Natur – man nennt ihn daher auch Energieerhaltungssatz.

In Worten kann der erste Hauptsatz ausgedrückt werden als:

  • „Änderung der Systemenergie = (Energie, welche aus der Umgebung zugeführt wird) – (Energie, die vom System abgegeben wird)“
  • Die Energie selbst wird in der Einheit Joule angegeben – kurz J. Wobei 1J = 1Nm = 1 kg*m²/s²

Nach dem ersten Hauptsatz setzt sich die Energie eines Systems aus den Formen der inneren Energie, also der in Form von Wärme enthaltenen Energie, kinetischer Energie, welche durch Geschwindigkeit induziert wird sowie aus potentieller Energie (Höhenenergie) zusammen.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz ist im Prinzip eine Art Erfahrungssatz, welcher nicht direkt bewiesen werden kann. Er beschreibt die Tatsache, dass reale Prozesse stets irreversibel – das heißt nicht mehr umkehrbar – sind. Vielmehr ist die Umkehrung der Prozesse immer mit einem Energieverlust verbunden, der bei der Umwandlung der Energieformen verloren geht. Dieser Energieverlust kann mit der Entropie des Systems bewertet werden. Allgemein gilt: Jeder natürlich ablaufende Prozess hat eine positive Entropie, das heißt er erzeugt Entropie und Energie wird entwertet. Die Entropie entsteht dadurch aus der Wärme wie aus der Dissipationsarbeit in Form von Reibung. Betrachtet man dagegen in der Theorie einen idealen – also reversiblen – Prozess, so ist dort die Entropieänderung gleich Null.

Thermodynamik in der ingenieurstechnischen Anwendung

Wie bereits erwähnt nimmt die Thermodynamik in zahlreichen Ingenieursdisziplinen eine zentrale Rolle ein – sie ist sozusagen das Fundament zahlreicher Prozesse und Verfahren. Ob im Maschinenbau, der Versorgungs- oder Verfahrenstechnik oder in der Chemie – die Thermodynamik ist immer im Spiel. So lassen sich beispielsweise Kreisprozesse im Kraftwerk mit den Handwerkzeugen der Wärmelehre berechnen. Hier werden Entropie- sowie Enthalpieströme berechnet, aus welchen anschließend mit Hilfe von Stoffwerten und Massenströmen die jeweiligen Temperaturen berechnet werden können. Auch zur Auslegung von Dampfkesseln zur Erzeugung von Heiz- oder Sattdampf spielt die Thermodynamik eine sehr entscheidende Rolle.