Burkhard Lohrengel - Verfahrenstechnik für Dummies

Eine 2-molale NaCl-Lösung enthält 2 Mol Kochsalz (NaCl) pro Liter. Da die Molmasse von Kochsalz 58,5 g/mol beträgt, enthält 1 l Lösung 117 g NaCl.

Kapitel 4

IN DIESEM KAPITEL

Werden Ihnen Systeme, Prozesse und Zustände nähergebracht

Werden Sie sehen, was ein Prozess eigentlich ist

Werden Sie merken, dass Zustände wegunabhängig sind

Lernen Sie das p , V -Diagramm kennen

Nachdem Sie jetzt die gebräuchlichen Konzentrationsmaße kennen, wird es Zeit, dass Sie die in der Verfahrenstechnik häufig verwendeten Begriffe System, Zustand und Prozess kennenlernen.

Als System wird in der Verfahrenstechnik ein aus Einzelteilen zusammengesetztes Gebilde verstanden, das für die Betrachtung als gemeinsames Ganzes wahrgenommen wird. Diese Beschreibung hilft Ihnen vielleicht noch nicht wirklich weiter. Dann so: Unter einem System können Sie den Teil der Welt verstehen, an dem Sie (hier natürlich nur verfahrenstechnisch) interessiert sind. Der Rest ist die Umgebung um das System herum. Abbildung 4.1verdeutlicht dies. Sie können nun ermitteln, wie sich Ihr abgegrenztes System verhält.

Ein System ist ein von seiner Umgebung abgegrenztes Gebiet, das bezüglich seiner Eigenschaften untersucht werden soll.

Sie wollen wissen, wie viel Benzin Ihr Auto verbraucht? Dann ist für Sie das Auto Ihr betrachtetes System. Sie sehen, Ihr System Auto ist aus vielen Einzelteilen aufgebaut, Motor, Karosserie, Sitze, Lenkrad und so weiter. Die Grenze Ihres Systems ist der Tankdeckel. Über die Systemgrenze gelangt Benzin in Ihren Tank. Diese Menge kennen Sie, da Sie dafür bezahlen müssen. Den Kilometerstand Ihres Systems Auto kennen Sie auch, also können Sie den Verbrauch in l/km bestimmen.

Abbildung 4.1System und Umgebung

Bei Systemen wird unterschieden in

abgeschlossen oder isoliert , wenn weder Energie- noch Stoffaustausch mit der Umgebung möglich ist,

geschlossen , wenn Energieaustausch mit der Umgebung möglich ist, allerdings kein Stoffaustausch,

offen , wenn Energie- und Stoffaustausch möglich ist.

Offene Systeme, zum Beispiel der Wärmeübertrager in Abbildung 4.2links, werden von Medien durchflossen. Energie wird dort zwischen Fluid 1 und Fluid 2 ausgetauscht.

Ein abgeschlossenes System ist dagegen (in guter Näherung) eine Thermoskanne nach dem Befüllen. Solange Sie kein Getränk entnehmen, findet kein Stoffaustausch statt. Für ein abgeschlossenes System müssen Sie allerdings annehmen, dass es so gut isoliert ist, dass keine Wärme die Systemgrenze, also die Außenhaut der Kanne, überschreiten kann. Sie wissen, dass das auch bei guten Isolierkannen nicht perfekt zutrifft.

Geschlossene Systeme, zum Beispiel ein mit einem Kolben verschlossener Zylinder (4-Takt-Verbrennungsmotor, solange die Ventile geschlossen sind), haben eine materieundurchlässige Systemgrenze. Die Anzahl der Atome beziehungsweise Moleküle bleibt in einem geschlossenen System konstant, auch wenn die Systemgrenzen sich verschieben, siehe Abbildung 4.2rechts (Systemgrenze 1 wird zu Systemgrenze 2 vergrößert). Ein Energie- beziehungsweise Wärmeaustausch mit der Umgebung findet allerdings durchaus statt und ist hier sogar gewollt.

Abbildung 4.2Offenes und geschlossenes System

Systeme werden weiterhin unterteilt in

adiabate und

rigide Systeme.

Adiabate Systeme sind wärmeundurchlässig, rigide Systeme arbeitsundurchlässig. Speziell adiabate Systeme werden in der Verfahrenstechnik häufig betrachtet, wenn ein System mit Dämmmaterial so gut isoliert ist, dass durch dieses Dämmmaterial Wärme weder nach außen noch nach innen dringen kann. Dies vereinfacht häufig die Berechnung.

Die oben betrachtete Thermoskanne ist ein adiabates System. Ihr Haus, Ihre Wohnung oder Ihr Zimmer sollten möglichst auch ein adiabates System sein. Dann sparen Sie im Winter enorm Heizkosten.

Der verfahrenstechnische Begriff des Zustands hat nichts damit zu tun, wie Sie sich fühlen. Auch ob Sie nach Alkoholgenuss in einem fahrtüchtigen Zustand sind oder nicht, interessiert vielleicht Sie (und die Polizei), ist für die Verfahrenstechnik aber unbedeutend.

Jedes System lässt sich mit physikalisch messbaren Größen beschreiben wie zum Beispiel Druck, Temperatur, Geschwindigkeit und so weiter. Gut, Ihr Alkoholgehalt lässt sich auch messen. Diese Eigenschaften des Systems sind variabel, ändern sich mit der Zeit. Das passt immer noch zum Alkoholgehalt. Nehmen die physikalischen Größen konstante Werte an, ist dies der Zustand des Systems. Ihr Alkoholgehalt sollte besser kein konstanter Systemzustand sein.

Die Zustandsgröße beschreibt den Zustand eines betrachteten Systems, der Weg, auf dem dieser Zustand erreicht wird, ist nicht von Interesse.

Abbildung 4.3Zustandsgrößen am Beispiel eines Wasserfalls

Abbildung 4.3verdeutlicht diese scheinbar ungewöhnliche Betrachtungsweise. Die 3 Personen a, b und c befinden sich im System »Fluss mit Wasserfall und Ufer«. Am Kopf des Wasserfalls haben alle drei Personen den gleichen Zustand 1 (Energieniveau 1). Alle 3 wollen an den Fuß des Wasserfalls (Zustand 2, Energieniveau 2). Person a nimmt den kürzesten und schnellsten, aber auch gefährlichsten Weg und springt direkt den Wasserfall hinunter. Person b ist hier wesentlich vorsichtiger und wählt den längeren Weg über die Serpentinen des Wanderwegs. Person c hat zufällig seinen Gleitschirm dabei und lässt sich so an den Fuß des Wasserfalls tragen. Wie schnell und gefährlich das ist, hängt von den Windverhältnissen und dem Können des Gleitschirmfliegers ab. Sind alle am Fuß des Wasserfalls angekommen (Zustand 2), werden Sie merken, dass alle wiederum das gleiche Energieniveau aufweisen, sie befinden sich im Zustand 2. Wenn Sie nur Anfangs- und Endpunkt betrachten, ist der Weg völlig unerheblich.