Lösung zu Kreisprozess mit Helium

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  T-S-Diagramm

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  p-V-Diagramm

1. Im T-S-Diagramme verläuft die isochore Zustandsänderung exponentiell, die isotherme horizontal und die isobare wiederum exponentiell. Im p-V-Diagramm steigt die Kurve zuerst vertikal nach oben, läuft dann auf einer Hyperbel ([math]pV=p_0V_0[/math]) nach rechts unten und zum Schluss auf einer Horizontalen nach links. Im T-S-Diagramm entspricht die Fläche unter der Kurve eines Teilprozesses der Wärme. Im p-V-Diagramm ergibt die entsprechende Fläche die (negativ genommene) Arbeit.
2. Das universelle Gasgesetz liefert für den unteren Druck einen Wert von 249 bar. Der Druck nach dem Aufheizen beträgt 748 bar.
3. Im ersten Prozess nimmt die Entropie um [math]\Delta S=n\hat c_V\ln{\frac{T_2}{T_1}}=\frac 3 2 nR\ln{\frac{T_2}{T_1}}[/math] = 137 kJ/K zu. Im dritten, isobaren Teilprozess nimmt die Entropie um 5/3 dieses Wertes, also um 228 kJ/K ab, weil die Wärmekapazität bei konstantem Druck um diesen Wert grösser als die Wärmekapazität bei konstantem Volumen ist. Die Differenz von 91 kJ/K muss im isothermen Prozess aus einem Wärmebad zugeführt werden.
4. Im ersten Prozess nimmt die innere Energie des Heliums um [math]W_{therm12}=\Delta W=\frac{3}{2}nR\Delta T[/math] = 74.8 MJ zu. Bei der nachfolgenden isothermen Zustandsänderung muss dem Gas zusätzliche Energie in Form von Wärme zugeführte werden [math]W_{therm23}=T_2 \Delta S_{23} =nRT_2\ln{\frac{V_2}{V_3}}[/math] = 82.2 MJ (bei einer isothermen Expansion bleibt die Entropie, welche die Energie trägt, im Gas drin; die Energie geht dagegen direkt in Form von Arbeit weg). Um die Energie für diese beiden Teilprozesse aus dem Ofen abzutransportieren, muss der Ofen die folgende Entropiemenge abgeben [math]S_{Ofen}=\frac{W_{therm13}}{T_{Ofen}}=\frac{157 MJ}{1000 K}[/math] = 157 kJ/K. Im dritten Teilprozess, dem isobaren, wird die eine bestimmte Energiemenge in Form von Wärme abgeführt [math]W_{therm31}=\frac 5 2 nR \Delta T[/math] = 125 MJ. Diese Energie muss bei einer Temperatur von 280 K von der Entropie [math]S_{Um}=\frac{W_{therm31}}{T_{Um}}[/math] = 445 kJ/K in die Umwelt hinein getragen werden. Erzeugt wird die Differenz zwischen der von Umwelt aufgenommenen und der vom Ofen abgegebenen Entropie. Diese Differenz beträgt 288 kJ/K.

Aufgabe