Was passiert bei zu viel Entropie? (Thermodynamik)
Kraftwerke führen einen Teil ihrer produzierten Wärme in die Umwelt, anstatt die Wärme weiterhin in den Prozess einzubinden. Dies geschieht nur, damit die Entropie im Kraftwerk mit der abgeführten Wärme abnimmt. Außerdem sagt unser Professor, dass viel Entropie in technischen Prozessen von Ingenieuren nicht gern gesehen wird.
WARUM?
Was passiert bei viel Entropie? Ich meine, was kann denn passieren, wenn zB. in einem abgeschlossenen, isolierten System, Wasserdampf eine Turbine antreibt, aber dann am Ende des Prozesses nicht an die Umwelt abgegeben, sondern wieder an den Anfang des Prozesses geleitet wird und die Turbine von neuem antreibt. Die Entropie wird immer mehr zunehmen, aber wie wirkt sich das dann auf den Prozess aus?
Vielen Dank schon mal für jede Antwort.
2 Antworten
Zunächst einmal musst du zwei Dinge trennen:
1) Jeder Energieverlust ist auf Entropieerzeugung zurückzuführen.
2) Eine perfekte thermodynamische Maschine produziert keine zusätzliche Entropie, sie hat also keine Verluste (idealisiert natürlich).
In deiner Frage geht es hauptsächlich um Punkt 2).
Entropie ist ein Energieträger. Damit ist folgendes gemeint: Jeder Entropiestrom IS ist stets begleitet von einem Energiestrom P (anderes, aber schlechtes Wort: Leistung). Der Zusammenhang ist P = T * IS, also über die Temperatur. Bei hoher Temperatur trägt ein Entropiestrom mehr Energie als der gleiche Entropiestrom bei niedrigerer Temperatur. Mit dieser simplen Gleichung lässt sich das physikalische Prinzip einer jeden Wärmekraftmaschine, also auch eines Kraftwerks, leicht verstehen.
Ausgangspunkt eines jeden Kraftwerks ist eine Entropiequelle hoher Temperatur. Dies geschieht entweder durch Ausnutzen von natürlichen Entropiequellen (heißes Wasser aus dem Erdinneren) oder durch Entropieproduktion (natürlich beim Auftreffen von Licht in geigneten Parabolspiegeln, oder rabiat: durch Verbrennung bzw Kernspaltung).
Man hat also in jedem Fall einen Entropiestrom IS mit hoher Temperatur T1. Hierzu gehört dann auch der Energiestrom P1 = T1 * IS.
Nach der Turbine hat der Entropiestrom IS (es ist der gleiche, weil in unserer perfekten Maschine ja keine zusätzliche Entropie produziert wird) eine kleinere Temperatur T2 < T2. Dieser trägt ebenfalls noch Energie, aber weniger, nämlich P2 = T2 * IS. Die Energiestromdifferenz P2-P1 = (T2-T1) * IS ist der Energiestrom, der in der Turbine abgegeben werden kann und elektrische Energie liefert.
Übrig bleibt also das Wasser, welches den Entropiestrom IS mit der niedrigen Temperatur T2 und der wenigen Energie P2 trägt. Würde man diesen Entropiestrom jetzt im Kessel wieder mit dem neu produzierten Entropiestrom hoher Temperatur mischen, hätten wir entsprechend weniger Energie, nämlich eine Mischung wegen der beiden Temperaturen. Was das Kraftwerk braucht, ist eine "Entropiemülldeponie", es muss die Entropie auf der niedrigen Temperatur also loswerden, und dies geschieht in einem Kühlturm an die Umgebung.
p.s. Wie berechnet sich eigentlich der Entropiestrom IS?
Es gilt ja IS = P1/T1. Daher ist der Anteil zur elektrischen Stromerzeugung einfach:
P(elektrisch)/P1 = (P2-P1)/P1 = (T2-T1) * IS / P1 = (T2-T1) * P1/T1 / P1
= (T2-T1)/T1,
und dies ist eine verblüffend einfache Herleitung für den sogenannten carnotschen Wirkungsgrad, also für die "perfekte" Maschine.
Das ist mal eine vollständige Ausführung. DH!
Vielleicht nur eine kleine Ergänzung, gedanklich von der Ingenieursseite statt der Physik, manchmal ist das anschaulicher zu verstehen ;-)
Der 2. Hauptsatz verbietet, dass die Entropie bei egal welcher Zustandsänderung abnimmt. Ein Wärmestrom trägt aber Entropie mit sich. Nachdem Du die Entropie nicht vernichten kannst, bleibt Dir nichts anderes übrig, als die dem Kreisprozess mit der Wärme zugeführte Entropie an die Umgebung abzugeben. Das definiert Dir einen Abwärmestrom und begrenzt damit den Wirkungsgrad.
Für jede Entropieerzeugung im Prozess kommt weitere zwangsläufige Wärmeabgabe an die Umgebung dazu, deshalb ist Entropieerzeugung nicht gerne gesehen.
Mit dS = dQ(reversibel)/T sowie den Wärme- und Entropiebilanzen verfügst Du schon über das Handwerkzeug, um Kreisprozesse zu rechnen.
Viel Spaß noch :-)
Wenn du den Dampf, der die Turbine angetrieben hat, zurückleiten und nochmals verwenden willst, dann wird einfach der ganze Prozess recht ineffizient. Die Zweitnutzung der Abwärme als Heizenergie (Fernwärme) ist aber sehr sinnvoll.