Der Carnotsche Kreisprozess

Thermodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD

Der Artikel Der Carnotsche Kreisprozess basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Franz- Josef Schmitt des 2.Kapitels (Abschnitt 5) der Thermodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD.

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Der Carnotsche Kreisprozess

In Kapitel 2.4 wurde die reversibel aufgenommene Wärmemenge $\delta Q=TdS$

eingeführt als derjenige teil der Änderung der inneren Energie dU, der NICHT durch die Änderung von ARbeitsparametern $(dV,d\overline{M})$

bewirkt wird (mechanisch ARbeit,Magnetisierungsarbeit, et...)

Frage: In wieweit kann Wärme in Arbeit verwandelt werden ?

Antwort: Carnotscher Kreisprozess: (S. Carnot, 1796- 1882)

Die Carnotsche Wärme- Kraftmaschine:

Der Kreisprozess wird reversibel (quasistatisch) durchlaufen:

U ist Zustandsfunktion: U ist nach 1 Zyklus unverändert! → Änderung der Bäder wird vernachlässigt!

→

W+ Q1+Q2=0

S ist Zustandsfunktion für reversible (Gleichgewichts -) Prozesse

• Bei Reversibilität ist S unverändert für System:

$\mathrm{\Delta }S=\frac{Q_1}{T_1}+\frac{Q_2}{T_2}=0$

dabei ändert sich die Entropie der 2 Wärmebäder durch reversibel aufgenommene/ abgegebene Wärme

$\mathrm{\Delta }{S}_1=-\frac{Q_1}{T_1}=\frac{Q_2}{T_2}=-\mathrm{\Delta }{S}_2$

Wirkungsgrad

$\eta :=-\frac{W}{Q_2}$

Quotient aus produzierter ARbeit und dem Bad T2 entzogene Wärmemenge

Mit den gegebenen Gleichungen folgt:

$\eta =\frac{Q_1+Q_2}{Q_2}=1+\frac{Q_1}{Q_2}$

Wirkungsgrad für reversible prozesse:

(idealer Carnot- Zyklus):

$\begin{array}{rl}& \frac{Q_1}{Q_2}=-\frac{T_1}{T_2}\\ & \Rightarrow \eta =1-\frac{T_1}{T_2}<1\\ \end{array}$

Vorwärtslauf

Q2>0

$\begin{array}{rl}& \Rightarrow Q_1=-Q_2\frac{T_1}{T_2}<0\\ & W=-\eta Q_2<0\\ \end{array}$

Von der Maschine wird Arbeit geleistet:

$-W>0$

und Wärme an T1 abgegeben:

$-Q_1>0$

• Wärmekraftmaschine

Rückwärtslauf

Q2<0

$\begin{array}{rl}& \Rightarrow Q_1=-Q_2\frac{T_1}{T_2}>0\\ & W=-\eta Q_2>0\\ \end{array}$

Von der Maschine wird Arbeit aufgenommen:

und Wärme an T2 abgegeben:

$-Q_2>0$

Dabei wird T1 Wärme entzogen, an der Maschine wird Arbeit von außen geleistet.

• Wärmepumpe = Kältemaschine

Wirkungsgrad der Wärmepumpe:

${\eta }_W=-\frac{Q_2}{W}={\eta }^{-1}=\frac{T_2}{T_2-T_1}>1$

z.B.

T2 = 50 ° = Vorlauftemperatur der Heizung = 323 K

T1 = 0° (Erdbodentemperatur im Winter)

$\Rightarrow {\eta }_W=6,5$

(ideal)

Wirkungsgrad der Kältemaschine:

$\begin{array}{rl}& \Rightarrow {\eta }_K=\frac{Q_1}{W}=-\frac{Q_2}{W}\frac{T_1}{T_2}=\frac{1}{\eta }\frac{T_1}{T_2}=\frac{T_1}{T_2-T_1}={\eta }_W-1\\ & {\eta }_K>1f\ddot{u}r{T}_1>\frac{1}{2}{T}_2\\ & {\eta }_K\to 0f\ddot{u}r{T}_1\to 0\\ \end{array}$

also für den vergeblichen Versuch, zum absoluten Nullpunkt abzukühlen!!

Ergebnis:

1. der Carnot- Wirkungsgrad ist universell für ideale reversible Wärmekraftmaschine und hängt nur von der Temperatur der Bäder ab
2. Wärme kann nicht vollständig in Arbeit verwandelt werden, ohne dass weitere Änderungen auftreten, z.B. Erwärmung des zweiten Bades $Q_1\ne 0$

↔

Unmöglichkeit des Perpetuum mobile 2. Art!

(das wäre eine periodische Maschine, die einem Reservoir Wärme entzieht und vollständig in ARbeit umwandelt)

Bemerkung

Diese Formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik folgt direkt aus der Existenz der ENTROPIE als Zustandsfunktion !!

Die wir informationstheoretisch eingeführt hatten (vergl. Kapitel 2.4)