Ideales Gas: Unterschied zwischen den Versionen

Aus SystemPhysik
Inhalt hinzugefügt Inhalt gelöscht
 
(38 dazwischenliegende Versionen von 3 Benutzern werden nicht angezeigt)
Zeile 1: Zeile 1:
==Modell==
==Modell==
Das Modell des idealen Gases beschreibt den Zustand von stark verdünnten Stoffen, wobei die Wechselwirkung zwischen den Teilchen dieses Stoffes vernachlässigbar klein sein sollte. Dieses Modell ist auf gasförmige und gelöste Stoffe anwendbar.
Das Modell des idealen Gases beschreibt den Zustand von stark verdünnten [[homogener Stoff|Stoffen]], wobei die Wechselwirkung zwischen den Teilchen dieses Stoffes vernachlässigbar klein sein sollte. Dieses Modell ist auf gasförmige und gelöste Stoffe anwendbar.


[[Bild: Ideales_Gas.gif|thumb|thermische und mechanische Verbindung des idealen Gases]]
[[Bild: Ideales_Gas.gif|thumb|thermische und mechanische Verbindung des idealen Gases]]
Der Zustand des idealen Gases kann auf zwei Arten verändert werden, durch heizen und kühlen oder durch komprimieren und entspannen. Um diese Prozesse kontrolliert ablaufen zu lassen, gehen wir von folgender Anordnung aus. Das Gas befinde sich in einem Zylinder, der mit einem Kolben verschlossen ist. Der Zylinderboden sei ideal wärmedurchlässig (diatherm), besitze aber selber keine Wärmekapazität. Die Zylinderwände und der Kolben sind absolut wärmeisoliert (adiabatisch). Der reibunsfrei verschiebbare Kolben schliesst das Gas hermetisch gegen eine inkompressible Flüssigkeit ab, welche für den Druckaufbau verantwortlich ist. Bei Lösungen ist die Flüssigkeit gleichzeitig Lösungsmittel und der Kolben für das Lösungsmittel durchlässig, für den gelösten Stoff dagegen nicht. Einen dermassen selektiv durchlässigen Kolben nennt man semipermeabel.
Der Zustand des idealen Gases kann auf zwei Arten verändert werden, durch heizen und kühlen oder durch komprimieren und entspannen. Um diese Prozesse kontrolliert ablaufen zu lassen, gehen wir von folgender Anordnung aus. Das Gas befinde sich in einem Zylinder, der mit einem Kolben verschlossen ist. Der Zylinderboden sei ideal wärmedurchlässig (diatherm), besitze aber selber keine [[Wärmekapazität]]. Die Zylinderwände und der Kolben sind absolut wärmeisoliert (adiabatisch). Der reibunsfrei verschiebbare Kolben schliesst das Gas hermetisch gegen eine inkompressible Flüssigkeit ab, welche für den Druckaufbau verantwortlich ist. Diese kleine Maschine, mit der man das Gas heizen bzw. kühlen und komprimieren bzw. kontrolliert entspannen kann, heisst [[Carnotor]].

Gelöste Stoffe verhalten sich, solange die Wechselwirkung zwischen den Teilchen keine Rolle spielt, wie ein ideales Gas. Um einen gelösten Stoff zu modellieren, denken wir uns den Kolben durch eine verschiebbare Membran ersetzt, welche für die Flüssigkeit (''Fuid'' der rechten Kammer) durchlässig ist. Die Membran soll aber den gelösten Stoff, der sich nur in der linken Kammer befindet und das Gas ersetzt, nicht durchlassen. Einen dermassen selektiv durchlässigen Kolben nennt man semipermeabel. Auf die semipermeable Membran wirkt damit nur der [[Partialdruck]] des gelösten Stoffes.


Das Systeme Gas besitzt eine direkte thermische und eine indirekte hydraulische Verbindung zur Umgebung. Es kann deshalb mit der Umgebung Energie in Form von Wärme und Arbeit austauschen.
Das Systeme Gas besitzt eine direkte thermische und eine indirekte hydraulische Verbindung zur Umgebung. Es kann deshalb mit der Umgebung Energie in Form von Wärme und Arbeit austauschen.
Zeile 10: Zeile 12:
Das ideal Gas kann über zwei Verbindungen (Portale oder Konnektoren) Entropie und Volumen mit der Umgebung austauschen. Weil das Gas homogen ist und die Verbindungen ideal sind, wird innerhalb des Systems keine Entropie produziert. Folglich kann die [[Entropiebilanz]] und die [[Volumenbilanz]] in einfachster Form hingeschrieben werden
Das ideal Gas kann über zwei Verbindungen (Portale oder Konnektoren) Entropie und Volumen mit der Umgebung austauschen. Weil das Gas homogen ist und die Verbindungen ideal sind, wird innerhalb des Systems keine Entropie produziert. Folglich kann die [[Entropiebilanz]] und die [[Volumenbilanz]] in einfachster Form hingeschrieben werden


<math>\begin{matrix} I_S &=& \dot S \\ I_V &=& \dot V_{Fluid} = -\dot V \end{matrix}</math>
:<math>\begin{matrix} I_S &=&\dot S\\I_V&=&\dot V_{Fluid}=-\dot V\end{matrix}</math>


Das ideale Gas kann vier einfach zu realisierende Prozesse durchlaufen. In zwei Prozessen ist je ein Portal geschlossen, in den zwei andern ist das Portal hemmungslos mit der Umwelt verbunden, so dass innen und aussen der gleiche Druck bzw. die gleiche Temperatur herrscht.
Das ideale Gas kann vier einfach zu realisierende Prozesse durchlaufen. In zwei Prozessen ist je ein Portal geschlossen, in den zwei andern ist das Portal hemmungslos mit der Umwelt verbunden, so dass innen und aussen der gleiche Druck bzw. die gleiche Temperatur herrscht.
Zeile 20: Zeile 22:
|-
|-
|isochor
|isochor
|V =konst
|''V'' =konst
|aktiv
|aktiv
|geschlossen
|geschlossen
|-
|-
|isobar
|isobar
|p =konst
|''p'' =konst
|aktiv
|aktiv
|direkt verbunden
|direkt verbunden
|-
|-
|isentrop
|isentrop
|S =konst
|''S'' =konst
|geschlossen
|geschlossen
|aktiv
|aktiv
|-
|-
|isotherm
|isotherm
|T =konst
|''T'' =konst
|direkt verbunden
|direkt verbunden
|aktiv
|aktiv
Zeile 41: Zeile 43:


==konstitutive Gleichungen==
==konstitutive Gleichungen==
Beim idealen Gas koppeln zwei Bilanzgleichungen über die beiden zugehörigen [[Potenzial|Potenziale]]. Im Gegensatz zum Massenpunkt als dreifacher, aber entkoppelter Impulsspeicher und anders als beim [[starrer Körper|starren Körper]] als dreifacher Drehimpulsspeicher, ist die Struktur dieser beiden Speichergesetze nicht ganz einfach zu durchschauen.
Beim idealen Gas koppeln zwei Bilanzgleichungen über die beiden zugehörigen [[Potenzial|Potenziale]]. Im Gegensatz zum [[Punktmechanik|Massenpunkt]], bei dem die [[Masse]] als dreifache [[Impuls]]kapazität auftritt und ähnlich wie beim [[starrer Körper|starren Körper]], bei dem die drei [[Drehimpuls]]komponenten über das [[Massenträgheitsmoment]] mit den drei Komponenten der [[Winkelgeschwindigkeit]] verknüpft sind, lässt sich die Struktur dieser beiden Speichergesetze nicht ganz einfach durchschauen.


Das erste Speichergesetz, die universelle Gasgleichung oder die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases, verknüpft die drei direkt messbaren Grössen Druck, Volumen und Temperatur miteinander
Das erste Speichergesetz, die universelle Gasgleichung oder die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases, verknüpft die drei direkt messbaren Grössen Druck, Volumen und Temperatur miteinander


<math>pV= nRT=mR_sT</math>
:<math>pV=nRT=mR_sT</math>


Die erste Form basiert auf der [[Stoffmenge]] als natürliches Mass für die Menge eines Stoffes, die zweite nimmt die Masse als Hilfsgrösse, um die Menge des Soffes zu quantifizieren. ''R'' steht für die universelle Gaskonstante und ''R_s'' für die spezifische Gaskonstante, die für jeden Stoff einen andern Wert annimmt.
Die erste Form basiert auf der [[Stoffmenge]] als natürliches Mass für die Menge eines Stoffes, die zweite nimmt die [[Masse]] als Hilfsgrösse, um die Menge des Soffes zu quantifizieren. ''R'' steht für die [[Naturkonstanten|universelle Gaskonstante]] und ''R<sub>s</sub>'' für die spezifische Gaskonstante, die für jeden Stoff einen andern Wert annimmt.


Das zweit Speichergesetz beschreibt die Entropie in Funktion des Volumens und der Temperatur
Das zweit Speichergesetz beschreibt die [[Entropie]] in Funktion des [[Volumen]]s und der [[Temperatur]]


<math>S = S_0 + n (R ln \frac {V}{V_0} + \hat c_V ln \frac {T}{T_0}) = S_0 + m (R_s ln \frac {V}{V_0} + c_V ln \frac {T}{T_0})</math>
:<math>S =S_0+n(R ln \frac{V}{V_0}+\hat c_V ln \frac{T}{T_0})=S_0+m(R_s ln \frac {V}{V_0}+c_V ln \frac{T}{T_0})</math>


Die molare oder spezifische Energiekapazität (''c^<sub>V</sub>'' oder ''c<sub>V</sub>'') ist für einatomige Gase gleich 3 ''R'' / 2 bzw. 3 ''R<sub>s</sub> / 2''. Diese Grössen nennt man auch molare bzw. spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen, weil sie beim Heizen mit konstantem Volumen (isochores Heizen) ein Mass für die zuzuführende Wärmeenergie sind.
Die molare bzw. spezifische Energiekapazität (''c^<sub>V</sub>'' bzw. ''c<sub>V</sub>'') ist für einatomige Gase gleich 3 ''R'' / 2 bzw. 3 ''R<sub>s</sub> / 2''. Diese Grössen nennt man auch molare bzw. spezifische [[Wärmekapazität]] bei konstantem Volumen, weil sie beim Heizen mit konstantem Volumen (isochores Heizen) ein Mass für die zuzuführende Wärmeenergie sind.


Mit Hilfe der universellen Gasgleichung kann das Speichergesetz für die Entropie umgeformt werden in
Mit Hilfe der universellen Gasgleichung kann das Speichergesetz für die Entropie umgeformt werden in


<math>S = S_0 + n (R ln \frac {p_0}{p} + \hat c_p ln \frac {T}{T_0}) = S_0 + m (R_s ln \frac {p_0}{p} + c_p ln \frac {T}{T_0})</math>
:<math>S=S_0+n(R ln\frac{p_0}{p}+\hat c_p ln\frac{T}{T_0})=S_0+m(R_s ln \frac{p_0}{p}+c_p ln \frac{T}{T_0})</math>


vobei ''c^<sub>p</sub>'' oder ''c<sub>p</sub>'' die molare bzw. spezifische Enthalpiekapazität (auch moalre bzw. spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck genannt) um eine Gaskonstante grösser ist als die molare bzw. spezifische Wärmekapazität. Diese Grössen heissen auch molare bzw. spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, weil sie beim Heizen mit konstantem Druck (isobares Heizen) ein Mass für die zuzuführende Wärmeenergie sind.
vobei ''c^<sub>p</sub>'' oder ''c<sub>p</sub>'', die molare bzw. spezifische Enthalpiekapazität, um die Gaskonstante grösser ist als die molare bzw. spezifische Wärmekapazität. Diese Grössen heissen auch molare bzw. spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, weil sie beim Heizen mit konstantem Druck (isobares Heizen) ein Mass für die zuzuführende Wärmeenergie sind.


Bei den vier grundlegenden Prozessen nehmen die beiden konstitutiven Gleichungen die folgende Form an (die Gleichungen müssen unter Berücksichtigung der Nebenbedingungen nach der Zeit abgeleitet werden, damit sie in Form von Änderungsraten eine momentane Beschreibung des Prozesses abgeben)
Bei den vier grundlegenden Prozessen nehmen die beiden konstitutiven Gleichungen die folgende Form an (die Gleichungen müssen unter Berücksichtigung der Nebenbedingungen nach der Zeit abgeleitet werden, damit sie in Form von [[Änderungsrate|Änderungsraten]] eine momentane Beschreibung des Prozesses abgeben)


{|
{|
Zeile 70: Zeile 72:
|-
|-
|isochor
|isochor
|<math>V \dot p = n R \dot T</math>
|<math>V\dot p=n R \dot T</math>
|<math>\dot S = n \hat c_V \frac {\dot T}{T}</math>
|<math>\dot S=n\hat c_V\frac{\dot T}{T}</math>
|<math>\dot V = 0</math>
|<math>\dot V=0</math>
|-
|-
|isobar
|isobar
|<math>p \dot V = n R \dot T</math>
|<math>p\dot V=nR\dot T</math>
|<math>\dot S = n \hat c_p \frac {\dot T}{T}</math>
|<math>\dot S=n\hat c_p\frac{\dot T}{T}</math>
|<math>\dot p = 0</math>
|<math>\dot p=0</math>
|-
|-
|isentrop
|isentrop
|<math>R \frac {\dot V}{V}\hat + c_V \frac {\dot T}{T} = 0</math>
|<math>R\frac{\dot V}{V}\hat+c_V \frac{\dot T}{T}=0</math>
|<math>\dot S = 0</math>
|<math>\dot S=0</math>
|erste Gleichung folgt aus Entropiegesetz
|erste Gleichung folgt aus Entropiegesetz
|-
|-
|isotherm
|isotherm
|<math>\dot p V + \dot V p = 0</math>
|<math>\dot pV+\dot Vp=0</math>
|<math>\dot S = n R \frac {\dot V}{V}</math>
|<math>\dot S=nR\frac{\dot V}{V}</math>
|<math>\dot T = 0</math>
|<math>\dot T=0</math>
|}
|}


==Energiebilanz==
==Energiebilanz==
Die [[Energiebilanz]] bezüglich eines homogenen, thermischen Systems heisst aus historischen Gründen 1. Hauptsatz. Die Bilanz setzt die Stärke des thermischen Energiestromes (Wärme) und die des mechanischen (Arbeit) gleich der Änderungsrate der [[innere Energie|inneren Energie]]
Die [[Energiebilanz]] bezüglich eines homogenen, thermischen Systems heisst aus historischen Gründen 1. Hauptsatz. Die Bilanz setzt die Stärke des thermischen Energiestromes (Wärme) und die des mechanischen (Arbeit) gleich der [[Änderungsrate]] der [[innere Energie|inneren Energie]]


<math>I_{Wtherm} + I_{Wmech} = \dot W</math>
:<math>I_{W_{therm}}+I_{W_{mech}}=\dot W</math>


Die Energieströme können mit Hilfe des [[zugeordneter Energiestrom|zugeordneten Energiestromes]] durch die Stromstärke der [[Primärgrösse|Primärgrössen]] und die zugehörigen [[Potenzial|Potenziale]] ausgedrückt werden
Die Energieströme können mit Hilfe des [[zugeordneter Energiestrom|zugeordneten Energiestromes]] durch die Stromstärke der [[Primärgrösse|Primärgrössen]] und die zugehörigen [[Potenzial|Potenziale]] ausgedrückt werden


<math>T I_S + p I_V = \dot W</math>
:<math>T I_S+p I_V=\dot W</math>


Weil das System reversibel (ohne Entropieproduktion) arbeitet, dürfen die Mengenströme über die [[Entropiebilanz]] und die [[Volumenbilanz]] durch die zugehörigen Änderungsraten ersetzt werden
Weil das System reversibel (ohne Entropieproduktion) arbeitet und das Fluid inkompressibel ist, dürfen die Mengenströme über die [[Entropiebilanz]] und die [[Volumenbilanz]] durch die zugehörigen [[Änderungsrate]]n ersetzt werden


<math>T \dot S - p \dot V= \dot W</math>
:<math>T\dot S-p\dot V=\dot W</math>


Das Minuszeichen beim hydraulischen Teil kommt von der Konstanz der Summe aus Gasvolumen und Fluidvolumen: wenn das Fluidvolumen infolge Zufuhr zunimmt, vermindert sich das Gasvolumen und umgekehrt.
Das Minuszeichen beim hydraulischen Teil kommt von der Konstanz der Summe aus Gasvolumen und Fluidvolumen: wenn das Fluidvolumen infolge Zufuhr zunimmt, vermindert sich das Gasvolumen und umgekehrt.
Zeile 107: Zeile 109:
Die letzte Form ermöglicht eine graphische Interpretation der Wärme und der Arbeit bei homogenen und reversiblen Systemen. Die Wärme entpricht der Fläche (Integral) unter der Kurve im ''T-S-''Diagramm und die Arbeit ist gleich der Fläche (negatives Integral) im ''p-V-''Diagramm.
Die letzte Form ermöglicht eine graphische Interpretation der Wärme und der Arbeit bei homogenen und reversiblen Systemen. Die Wärme entpricht der Fläche (Integral) unter der Kurve im ''T-S-''Diagramm und die Arbeit ist gleich der Fläche (negatives Integral) im ''p-V-''Diagramm.


Setzt man in die letzte Form der Energiebilanz das Entropiegesetz für das ideale Gas bei einem isochorem Prozess ein (siehe Tabelle), erhält folgende Aussage
Setzt man in die letzte Form der Energiebilanz das Entropiegesetz für das ideale Gas bei einem isochorem Prozess ein (siehe Tabelle), erhält man folgende Aussage


<math>I_{Wtherm}= \dot W = n \hat c_V \dot T</math>
:<math>I_{W_{therm}}=\dot W=n\hat c_V\dot T</math>


In einem isochor geführten Prozess ist die Zunahme der inneren Energie gleich der zugeführten Wärme (daher der Name Wärmekapazität bei konstantem Volumen). Indem man die konstitutiven Gesetze des idealen Gases für eine beliebe Prozessführunge einsetzt, kann man zeigen, dass die innere Energie des Gases immer diese Form hat, also proportional mit der Temperatur zunimmt und unabhängig vom Volumen ist.
In einem isochor geführten Prozess ist die Zunahme der inneren Energie gleich der zugeführten Wärme (daher der Name Wärmekapazität bei konstantem Volumen statt einfach und korrekt nur Energiekapazität). Indem man die konstitutiven Gesetze des idealen Gases für eine beliebe Prozessführunge einsetzt, kann man zeigen, dass die innere Energie des Gases immer diese Form hat, also proportional mit der Temperatur zunimmt und unabhängig vom Volumen ist.


Bei isobarer Prozessführung ist die in Form von Wärme zugeführte Energie gleich der Zunahme der inneren Energie plus die Expansionsarbeit des Gases gegen den Kolben (die hydraulische Abgabe von Energie an die Umwelt). Fügt man nun die [[Enthalpie]] als eine neue "Energieform" in die Energiebilanz ein, ist die zugeführte Wärme gleich der Enthalpieänderung
Bei isobarer Prozessführung ist die in Form von Wärme zugeführte Energie gleich der Zunahme der inneren Energie plus die Expansionsarbeit des Gases gegen den Kolben (die hydraulische Abgabe von Energie an die Umwelt). Fügt man nun die [[Enthalpie]] als eine neue "Energieform" in die Energiebilanz ein, ist die zugeführte Wärme gleich der Enthalpieänderung


<math>I_{Wtherm}= \dot W + p_0 \dot V = \dot H = n \hat c_p \dot T</math>
:<math>I_{W_{therm}}=\dot W+p_0\dot V=\dot H=n\hat c_p\dot T</math>

⚫
In einem isobar geführten Prozess ist die Zunahme der Enthalpie gleich der zugeführten Wärme (daher der Name Wärmekapazität bei konstantem Druck statt Enthalpiekapazität).

⚫
Bei isothermer Prozessführung ist die in Form von Arbeit zugeführte Energie gleich der Änderung der inneren Energie plus die in Form von Wärme an die Umwelt abgegebene Energie. Weil die innere Energie des idealen Gases nicht von der Temperatur abhängt, heben sich bei der isothermen Prozesführung Arbeit und Wärme auf. Fügt man nun die [[freie Energie]] als neue "Energieform" in die Energiebilanz ein, ist die zugeführt Arbeit gleich der Änderung der freien Energie

⚫
:<math>I_{W_{mech}}=\dot W+T_0\dot S=\dot F</math>

⚫
Die freie Energie kommt unserer Vorstellung von Arbeit sehr nahe. Bei der isothermen Expansion ist die Arbeit gleich der Änderung der freien Energie. Dass diese Energie zusammen mit der Entropie von der Umwelt her zugeführt wird, bemerken wir nicht. Das expandierende Gas nimmt von der Umwelt Energie und Entropie auf, gibt aber nur die Energie weiter und behält die Entropie. So kann Wärme vollständig in Arbeit "umgewandelt" werden.

==statische Beschreibung==

Die statische Beschreibung einer Zustandsänderung gewinnt man durch die Integration der entsprechenden Prozesse
{|
!width = "100"|Prozess
!width = "180"|Gasgleichung
!width = "180"|Entropie
!width = "200"|Energie
!width = "200"|Bemerkung
|-
|isochor
|<math>\frac {p}{p_0}=\frac{T}{T_0}</math>
|<math>\Delta S=n\hat c_V ln\frac{T}{T_0}</math>
|<math>\Delta W=n\hat c_V\Delta T</math>
|Gesetz von [[Amontons]]
|-
|isobar
|<math>\frac {V}{V_0}=\frac {T}{T_0}</math>
|<math>\Delta S=n\hat c_p ln\frac{T}{T_0}</math>
|<math>\Delta H=n\hat c_p\Delta T</math>
|Gesetz von [[Gay-Lussac]]
|-
|isentrop
|<math>\left(\frac{V}{V_0}\right)^R=\left(\frac{T_0}{T}\right)^{\hat c_V}</math>
|<math>\Delta S=0</math>
|<math>\Delta W=n\hat c_V\Delta T</math>
|<math>\kappa=\frac{\hat c_p}{\hat c_V}</math>
|-
|isotherm
|<math>\frac {V}{V_0}=\frac{p_0}{p}</math>
|<math>\Delta S=nR\ln\left(\frac{V}{V_0}\right)</math>
|<math>\Delta F=nR T_0\ln\left(\frac{V_0}{V}\right)</math>
|Gesetz von [[Boyle-Mariotte]]
|}

Der Ausdruck für die isentrope Zustandsänderung kann mit Hilfe des '''Isentropenexponentes''' <math>\kappa = \frac {\hat c_p}{\hat c_V}</math> umgeschrieben werden

:<math>\left(\frac{V}{V_0}\right)^{\kappa -1}=\frac{T_0}{T}</math>

Unter Verwendung der universellen Gasgleichung lässt sich dieser Zusammenhang in eine Form mit den Variablen ''p'' und ''V'' umwandeln

:<math>\left(\frac{V}{V_0}\right)^\kappa=\frac{p_0}{p}</math>

Eine weitere Umformung liefert

:<math>\left(\frac{p}{p_0}\right)^{\kappa -1}=\left(\frac{T}{T_0}\right)^\kappa</math>

Das '''Temperatur-Entropie-''' und das '''Druck-Volumen-Diagramm''' liefern die zentralen Informationen zu den statischen Prozessen. Zeichnet man in beiden Diagrammen die Linien gleichen Volumens (Isochoren, blau), gleicher Entropie (Isentropen, rot), gleichen Drucks (Isobaren, blau gestrichelt) und gleicher Temperatur (Isotheremen, rot gestrichelt) ein, erhält man ein Raster, in dem alle idealisierten Kreisprozesse eingezeichnet werden können. Zudem entspricht die Fläche unter dem ''T-S-''Diagramm der Wärme (thermisch ausgetauschte Energie) und die Fläche unter dem ''p-V-''Diagramm der (negativen) Arbeit (mechanisch ausgetauschte Energie).

==Arbeit und Wärme==
[[Bild:Einatomige Gase T-S-Diagramm.gif|thumb|''T-S-''Diagramm]]Aus der Wirkweise des [[Carnotor]]s geht hervor, dass das [[Volumen]] und die [[Entropie]] als Grundmengen der homogenen Stoffe betrachtet werden können. Der Druck und die Temperatur bilden dann die zugehörigen Potenziale. Folglich entspricht die Fläche unter dem ''p-V-''Diagramm der (negativen) Arbeit und die Fläche unter dem ''T-S-''Diagramm der Wärme. Nun kann man die Koordinatenlinien des einen Diagramms als Kurve ins andere übertragen. Mit diesen Kurvenscharen lassen sich ideale Kreisprozesse schnell und recht genau skizzieren. Bei Gasen werden die beiden Basisgrössen Volumen und Entropie oft pro Mol (molar) angegeben. Die verschiedenen Kurven sind durch folgende Gleichungen festgelegt

Die '''Isobaren''' erscheinen im ''p-V-''Diagramm als horizontale Linien. Im ''T-S-''Diagramm gehen die Isobaren in Exponentialfunktionen über

:<math>T=T_ne^{\hat s/\hat c_p}</math>

wobei die spezifische Entropie willkürlich in einem bestimmten Zustand <math>p_0\hat v_0=RT_0</math> gleich Null gesetzt wird.

Die '''Isochoren''' bilden im ''p-V-''Diagramm die vertikale Linien. Im ''T-S-''Diagramm gehen die Isochoren ebenfalls in Exponentialfunktionen über

:<math>\hat v=\hat v_ne^{\hat s/\hat c_V}</math>

wobei auch hier der Nullpunkt der Entropie willkürlich gleich Null gesetzt werden kann.

[[Bild:Einatomige Gase p-V-Diagramm.gif|thumb|''p-V-''Diagramm]]Die '''Isothermen''' bilden im ''T-S-''Diagramm die horizontalen Koordinatenlinien. Im ''p-V-''Diagramm erscheinen die Isothermen als Hyperbeln

:<math>p=p_n\frac{\hat v_n}{\hat v}</math>

Die '''Isentropen''' erscheinen im ''T-S-''Diagramm als vertikale Koordinatenlinien. Im ''p-V-''Diagramm nehmen sie die Form einer Potenzfunktion mit gebrochenem Exponenten an

:<math>p=p_n\left(\frac{\hat v_n}{\hat v}\right)^\kappa</math>

In den beiden Diagrammen sind je alle vier Iso-Linien eingetragen (blau die hydraulischen und rot die thermischen).

==Potenziale==
[[Bild:Einatomige Gase V-S-Diagramm.gif|thumb|''V-S-''Diagramm]]Aus der Funktionsweise des [[Carnotor]]s geht hervor, dass [[Volumen]] und [[Entropie]] die frei wählbaren Grössen ([[Zustandsgrössen]]) sind. [[Druck]] und [[Temperatur]] ergeben sich dann aus dem jeweiligen Zustand


:<math>p=f(V,S)</math> und <math>T=g(V,S)</math>
⚫
In einem isobar geführten Prozess ist die Zunahme der Enthalpie gleich der zugeführten Wärme (daher der Name Wärmekapazität bei konstantem Druck).


Diese Funktionen, welche jedem Entropieinhalt und jedem Volumen je ein Potenzial zuordnet, lassen sich wieder mit Hilfe von Isobaren und Isothermen darstellen. Das nebenstehend abgebildete Diagramm zeigt diese Linien gleichen Drucks und gleicher Temperatur über der ''V-S-''Ebene. Mit etwas Fantasie kann man sich die Kurven als eine Art Höhenlinien interpretieren. Dann sieht man förmlich, wie die sowohl Druck als auch Temperatur mit wachsender [[Entropie]] und kleiner werdendem Volumen ansteigen. Die Isobaren verlaufen flacher als die Isothermen, weil beim Heizen mit konstantem Druck die Temperatur steigt. Umgekehrt sinkt der Druck bei der isothermen Expansion.
⚫
Bei isothermer Prozessführung ist die in Form von Arbeit zugeführte Energie gleich der Änderung der inneren Energie plus die in Form von Wärme an die Umwelt abgegebene Energie. Fügt man nun die [[freie Energie]] als neue "Energieform" in die Energiebilanz ein, ist die zugeführt Arbeit gleich der Änderung der freine Energie


==Anwendungen==
⚫
<math>I_{Wmech}= \dot W + T_0 \dot S = \dot F</math>
*das [[SD-Modell des idealen Gases]]
*[[Carnot-Prozess]]
*[[Stirling-Prozess]]
*[[Osmose]]


[[Kategorie:Thermo]]
⚫
Die freie Energie kommt unserer Vorstellung von Arbeit sehr nahe. Bei der isothermen Expansion ist die Arbeit gleich der Änderung der freien Energie. Dass diese Energie zusammen mit der Entropie von der Umwelt her zugeführt wird, kann uns egal sein. Das expandierende Gas nimmt von der Umwelt Energie und Entropie auf, gibt aber nur die Energie weiter und behält die Entropie.

Aktuelle Version vom 23. Juni 2011, 09:15 Uhr

Modell

Das Modell des idealen Gases beschreibt den Zustand von stark verdünnten Stoffen, wobei die Wechselwirkung zwischen den Teilchen dieses Stoffes vernachlässigbar klein sein sollte. Dieses Modell ist auf gasförmige und gelöste Stoffe anwendbar.

thermische und mechanische Verbindung des idealen Gases

Der Zustand des idealen Gases kann auf zwei Arten verändert werden, durch heizen und kühlen oder durch komprimieren und entspannen. Um diese Prozesse kontrolliert ablaufen zu lassen, gehen wir von folgender Anordnung aus. Das Gas befinde sich in einem Zylinder, der mit einem Kolben verschlossen ist. Der Zylinderboden sei ideal wärmedurchlässig (diatherm), besitze aber selber keine Wärmekapazität. Die Zylinderwände und der Kolben sind absolut wärmeisoliert (adiabatisch). Der reibunsfrei verschiebbare Kolben schliesst das Gas hermetisch gegen eine inkompressible Flüssigkeit ab, welche für den Druckaufbau verantwortlich ist. Diese kleine Maschine, mit der man das Gas heizen bzw. kühlen und komprimieren bzw. kontrolliert entspannen kann, heisst Carnotor.

Gelöste Stoffe verhalten sich, solange die Wechselwirkung zwischen den Teilchen keine Rolle spielt, wie ein ideales Gas. Um einen gelösten Stoff zu modellieren, denken wir uns den Kolben durch eine verschiebbare Membran ersetzt, welche für die Flüssigkeit (Fuid der rechten Kammer) durchlässig ist. Die Membran soll aber den gelösten Stoff, der sich nur in der linken Kammer befindet und das Gas ersetzt, nicht durchlassen. Einen dermassen selektiv durchlässigen Kolben nennt man semipermeabel. Auf die semipermeable Membran wirkt damit nur der Partialdruck des gelösten Stoffes.

Das Systeme Gas besitzt eine direkte thermische und eine indirekte hydraulische Verbindung zur Umgebung. Es kann deshalb mit der Umgebung Energie in Form von Wärme und Arbeit austauschen.

Bilanzen und Prozesse

Das ideal Gas kann über zwei Verbindungen (Portale oder Konnektoren) Entropie und Volumen mit der Umgebung austauschen. Weil das Gas homogen ist und die Verbindungen ideal sind, wird innerhalb des Systems keine Entropie produziert. Folglich kann die Entropiebilanz und die Volumenbilanz in einfachster Form hingeschrieben werden

[math]\begin{matrix} I_S &=&\dot S\\I_V&=&\dot V_{Fluid}=-\dot V\end{matrix}[/math]

Das ideale Gas kann vier einfach zu realisierende Prozesse durchlaufen. In zwei Prozessen ist je ein Portal geschlossen, in den zwei andern ist das Portal hemmungslos mit der Umwelt verbunden, so dass innen und aussen der gleiche Druck bzw. die gleiche Temperatur herrscht.

Prozess Beschreibung thermisches Portal hydraulisches Portal
isochor V =konst aktiv geschlossen
isobar p =konst aktiv direkt verbunden
isentrop S =konst geschlossen aktiv
isotherm T =konst direkt verbunden aktiv

konstitutive Gleichungen

Beim idealen Gas koppeln zwei Bilanzgleichungen über die beiden zugehörigen Potenziale. Im Gegensatz zum Massenpunkt, bei dem die Masse als dreifache Impulskapazität auftritt und ähnlich wie beim starren Körper, bei dem die drei Drehimpulskomponenten über das Massenträgheitsmoment mit den drei Komponenten der Winkelgeschwindigkeit verknüpft sind, lässt sich die Struktur dieser beiden Speichergesetze nicht ganz einfach durchschauen.

Das erste Speichergesetz, die universelle Gasgleichung oder die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases, verknüpft die drei direkt messbaren Grössen Druck, Volumen und Temperatur miteinander

[math]pV=nRT=mR_sT[/math]

Die erste Form basiert auf der Stoffmenge als natürliches Mass für die Menge eines Stoffes, die zweite nimmt die Masse als Hilfsgrösse, um die Menge des Soffes zu quantifizieren. R steht für die universelle Gaskonstante und Rs für die spezifische Gaskonstante, die für jeden Stoff einen andern Wert annimmt.

Das zweit Speichergesetz beschreibt die Entropie in Funktion des Volumens und der Temperatur

[math]S =S_0+n(R ln \frac{V}{V_0}+\hat c_V ln \frac{T}{T_0})=S_0+m(R_s ln \frac {V}{V_0}+c_V ln \frac{T}{T_0})[/math]

Die molare bzw. spezifische Energiekapazität (c^V bzw. cV) ist für einatomige Gase gleich 3 R / 2 bzw. 3 Rs / 2. Diese Grössen nennt man auch molare bzw. spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen, weil sie beim Heizen mit konstantem Volumen (isochores Heizen) ein Mass für die zuzuführende Wärmeenergie sind.

Mit Hilfe der universellen Gasgleichung kann das Speichergesetz für die Entropie umgeformt werden in

[math]S=S_0+n(R ln\frac{p_0}{p}+\hat c_p ln\frac{T}{T_0})=S_0+m(R_s ln \frac{p_0}{p}+c_p ln \frac{T}{T_0})[/math]

vobei c^p oder cp, die molare bzw. spezifische Enthalpiekapazität, um die Gaskonstante grösser ist als die molare bzw. spezifische Wärmekapazität. Diese Grössen heissen auch molare bzw. spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, weil sie beim Heizen mit konstantem Druck (isobares Heizen) ein Mass für die zuzuführende Wärmeenergie sind.

Bei den vier grundlegenden Prozessen nehmen die beiden konstitutiven Gleichungen die folgende Form an (die Gleichungen müssen unter Berücksichtigung der Nebenbedingungen nach der Zeit abgeleitet werden, damit sie in Form von Änderungsraten eine momentane Beschreibung des Prozesses abgeben)

Prozess Gasgleichung Entropiegesetz Bemerkung
isochor [math]V\dot p=n R \dot T[/math] [math]\dot S=n\hat c_V\frac{\dot T}{T}[/math] [math]\dot V=0[/math]
isobar [math]p\dot V=nR\dot T[/math] [math]\dot S=n\hat c_p\frac{\dot T}{T}[/math] [math]\dot p=0[/math]
isentrop [math]R\frac{\dot V}{V}\hat+c_V \frac{\dot T}{T}=0[/math] [math]\dot S=0[/math] erste Gleichung folgt aus Entropiegesetz
isotherm [math]\dot pV+\dot Vp=0[/math] [math]\dot S=nR\frac{\dot V}{V}[/math] [math]\dot T=0[/math]

Energiebilanz

Die Energiebilanz bezüglich eines homogenen, thermischen Systems heisst aus historischen Gründen 1. Hauptsatz. Die Bilanz setzt die Stärke des thermischen Energiestromes (Wärme) und die des mechanischen (Arbeit) gleich der Änderungsrate der inneren Energie

[math]I_{W_{therm}}+I_{W_{mech}}=\dot W[/math]

Die Energieströme können mit Hilfe des zugeordneten Energiestromes durch die Stromstärke der Primärgrössen und die zugehörigen Potenziale ausgedrückt werden

[math]T I_S+p I_V=\dot W[/math]

Weil das System reversibel (ohne Entropieproduktion) arbeitet und das Fluid inkompressibel ist, dürfen die Mengenströme über die Entropiebilanz und die Volumenbilanz durch die zugehörigen Änderungsraten ersetzt werden

[math]T\dot S-p\dot V=\dot W[/math]

Das Minuszeichen beim hydraulischen Teil kommt von der Konstanz der Summe aus Gasvolumen und Fluidvolumen: wenn das Fluidvolumen infolge Zufuhr zunimmt, vermindert sich das Gasvolumen und umgekehrt.

Die letzte Form ermöglicht eine graphische Interpretation der Wärme und der Arbeit bei homogenen und reversiblen Systemen. Die Wärme entpricht der Fläche (Integral) unter der Kurve im T-S-Diagramm und die Arbeit ist gleich der Fläche (negatives Integral) im p-V-Diagramm.

Setzt man in die letzte Form der Energiebilanz das Entropiegesetz für das ideale Gas bei einem isochorem Prozess ein (siehe Tabelle), erhält man folgende Aussage

[math]I_{W_{therm}}=\dot W=n\hat c_V\dot T[/math]

In einem isochor geführten Prozess ist die Zunahme der inneren Energie gleich der zugeführten Wärme (daher der Name Wärmekapazität bei konstantem Volumen statt einfach und korrekt nur Energiekapazität). Indem man die konstitutiven Gesetze des idealen Gases für eine beliebe Prozessführunge einsetzt, kann man zeigen, dass die innere Energie des Gases immer diese Form hat, also proportional mit der Temperatur zunimmt und unabhängig vom Volumen ist.

Bei isobarer Prozessführung ist die in Form von Wärme zugeführte Energie gleich der Zunahme der inneren Energie plus die Expansionsarbeit des Gases gegen den Kolben (die hydraulische Abgabe von Energie an die Umwelt). Fügt man nun die Enthalpie als eine neue "Energieform" in die Energiebilanz ein, ist die zugeführte Wärme gleich der Enthalpieänderung

[math]I_{W_{therm}}=\dot W+p_0\dot V=\dot H=n\hat c_p\dot T[/math]

In einem isobar geführten Prozess ist die Zunahme der Enthalpie gleich der zugeführten Wärme (daher der Name Wärmekapazität bei konstantem Druck statt Enthalpiekapazität).

Bei isothermer Prozessführung ist die in Form von Arbeit zugeführte Energie gleich der Änderung der inneren Energie plus die in Form von Wärme an die Umwelt abgegebene Energie. Weil die innere Energie des idealen Gases nicht von der Temperatur abhängt, heben sich bei der isothermen Prozesführung Arbeit und Wärme auf. Fügt man nun die freie Energie als neue "Energieform" in die Energiebilanz ein, ist die zugeführt Arbeit gleich der Änderung der freien Energie

[math]I_{W_{mech}}=\dot W+T_0\dot S=\dot F[/math]

Die freie Energie kommt unserer Vorstellung von Arbeit sehr nahe. Bei der isothermen Expansion ist die Arbeit gleich der Änderung der freien Energie. Dass diese Energie zusammen mit der Entropie von der Umwelt her zugeführt wird, bemerken wir nicht. Das expandierende Gas nimmt von der Umwelt Energie und Entropie auf, gibt aber nur die Energie weiter und behält die Entropie. So kann Wärme vollständig in Arbeit "umgewandelt" werden.

statische Beschreibung

Die statische Beschreibung einer Zustandsänderung gewinnt man durch die Integration der entsprechenden Prozesse

Prozess Gasgleichung Entropie Energie Bemerkung
isochor [math]\frac {p}{p_0}=\frac{T}{T_0}[/math] [math]\Delta S=n\hat c_V ln\frac{T}{T_0}[/math] [math]\Delta W=n\hat c_V\Delta T[/math] Gesetz von Amontons
isobar [math]\frac {V}{V_0}=\frac {T}{T_0}[/math] [math]\Delta S=n\hat c_p ln\frac{T}{T_0}[/math] [math]\Delta H=n\hat c_p\Delta T[/math] Gesetz von Gay-Lussac
isentrop [math]\left(\frac{V}{V_0}\right)^R=\left(\frac{T_0}{T}\right)^{\hat c_V}[/math] [math]\Delta S=0[/math] [math]\Delta W=n\hat c_V\Delta T[/math] [math]\kappa=\frac{\hat c_p}{\hat c_V}[/math]
isotherm [math]\frac {V}{V_0}=\frac{p_0}{p}[/math] [math]\Delta S=nR\ln\left(\frac{V}{V_0}\right)[/math] [math]\Delta F=nR T_0\ln\left(\frac{V_0}{V}\right)[/math] Gesetz von Boyle-Mariotte

Der Ausdruck für die isentrope Zustandsänderung kann mit Hilfe des Isentropenexponentes [math]\kappa = \frac {\hat c_p}{\hat c_V}[/math] umgeschrieben werden

[math]\left(\frac{V}{V_0}\right)^{\kappa -1}=\frac{T_0}{T}[/math]

Unter Verwendung der universellen Gasgleichung lässt sich dieser Zusammenhang in eine Form mit den Variablen p und V umwandeln

[math]\left(\frac{V}{V_0}\right)^\kappa=\frac{p_0}{p}[/math]

Eine weitere Umformung liefert

[math]\left(\frac{p}{p_0}\right)^{\kappa -1}=\left(\frac{T}{T_0}\right)^\kappa[/math]

Das Temperatur-Entropie- und das Druck-Volumen-Diagramm liefern die zentralen Informationen zu den statischen Prozessen. Zeichnet man in beiden Diagrammen die Linien gleichen Volumens (Isochoren, blau), gleicher Entropie (Isentropen, rot), gleichen Drucks (Isobaren, blau gestrichelt) und gleicher Temperatur (Isotheremen, rot gestrichelt) ein, erhält man ein Raster, in dem alle idealisierten Kreisprozesse eingezeichnet werden können. Zudem entspricht die Fläche unter dem T-S-Diagramm der Wärme (thermisch ausgetauschte Energie) und die Fläche unter dem p-V-Diagramm der (negativen) Arbeit (mechanisch ausgetauschte Energie).

Arbeit und Wärme

T-S-Diagramm

Aus der Wirkweise des Carnotors geht hervor, dass das Volumen und die Entropie als Grundmengen der homogenen Stoffe betrachtet werden können. Der Druck und die Temperatur bilden dann die zugehörigen Potenziale. Folglich entspricht die Fläche unter dem p-V-Diagramm der (negativen) Arbeit und die Fläche unter dem T-S-Diagramm der Wärme. Nun kann man die Koordinatenlinien des einen Diagramms als Kurve ins andere übertragen. Mit diesen Kurvenscharen lassen sich ideale Kreisprozesse schnell und recht genau skizzieren. Bei Gasen werden die beiden Basisgrössen Volumen und Entropie oft pro Mol (molar) angegeben. Die verschiedenen Kurven sind durch folgende Gleichungen festgelegt

Die Isobaren erscheinen im p-V-Diagramm als horizontale Linien. Im T-S-Diagramm gehen die Isobaren in Exponentialfunktionen über

[math]T=T_ne^{\hat s/\hat c_p}[/math]

wobei die spezifische Entropie willkürlich in einem bestimmten Zustand [math]p_0\hat v_0=RT_0[/math] gleich Null gesetzt wird.

Die Isochoren bilden im p-V-Diagramm die vertikale Linien. Im T-S-Diagramm gehen die Isochoren ebenfalls in Exponentialfunktionen über

[math]\hat v=\hat v_ne^{\hat s/\hat c_V}[/math]

wobei auch hier der Nullpunkt der Entropie willkürlich gleich Null gesetzt werden kann.

p-V-Diagramm

Die Isothermen bilden im T-S-Diagramm die horizontalen Koordinatenlinien. Im p-V-Diagramm erscheinen die Isothermen als Hyperbeln

[math]p=p_n\frac{\hat v_n}{\hat v}[/math]

Die Isentropen erscheinen im T-S-Diagramm als vertikale Koordinatenlinien. Im p-V-Diagramm nehmen sie die Form einer Potenzfunktion mit gebrochenem Exponenten an

[math]p=p_n\left(\frac{\hat v_n}{\hat v}\right)^\kappa[/math]

In den beiden Diagrammen sind je alle vier Iso-Linien eingetragen (blau die hydraulischen und rot die thermischen).

Potenziale

V-S-Diagramm

Aus der Funktionsweise des Carnotors geht hervor, dass Volumen und Entropie die frei wählbaren Grössen (Zustandsgrössen) sind. Druck und Temperatur ergeben sich dann aus dem jeweiligen Zustand

[math]p=f(V,S)[/math] und [math]T=g(V,S)[/math]

Diese Funktionen, welche jedem Entropieinhalt und jedem Volumen je ein Potenzial zuordnet, lassen sich wieder mit Hilfe von Isobaren und Isothermen darstellen. Das nebenstehend abgebildete Diagramm zeigt diese Linien gleichen Drucks und gleicher Temperatur über der V-S-Ebene. Mit etwas Fantasie kann man sich die Kurven als eine Art Höhenlinien interpretieren. Dann sieht man förmlich, wie die sowohl Druck als auch Temperatur mit wachsender Entropie und kleiner werdendem Volumen ansteigen. Die Isobaren verlaufen flacher als die Isothermen, weil beim Heizen mit konstantem Druck die Temperatur steigt. Umgekehrt sinkt der Druck bei der isothermen Expansion.

Anwendungen

Abgerufen von „http://systemdesign.ch/index.php?title=Ideales_Gas&oldid=10414“