Thermodynamik
Letztes Update am 29. Juni 2023
Heute ist die Thermodynamik einer der entscheidenden Innovationstreiber für die unterschiedlichsten Wirtschaftszweige, angefangen vom Design für Wärmepumpen, Batteriesystemen und Kraftwerken bis hin zu Bekleidungsstücken, Lebensmitteln oder Filteranlagen. Aber auch Klimamodelle und die Wettervorhersage kann man nur durch Kenntnisse der Thermodynamik nachvollziehen.
Inhaltsübersicht
Lehrveranstaltung im Bachelor Wirtschaftsingenieurwesen
Gemäß der Moduldatenbank der htw saar, aus der die hier dokumentierten Inhalte stammen, gliedern sich Vorlesung und Übung der Veranstaltung Thermodynamik im Bachelorstudium Wirtschaftsingenieurwesen in insgesamt 7 grundlegende Kapitel:
- Kapitel 01: Wärme in Festkörpern und Flüssigkeiten
- Kapitel 02: Wärme in Gasen
- Kapitel 03: Zustandsänderungen
- Kapitel 04: Kreisprozesse
- Kapitel 05: Wärmeleitung und Strömung
- Kapitel 06: Wärmestrahlung und Wärmeübertrager
- Kapitel 07: Nassdampfgebiet und nicht-umkehrbare Prozesse
Lernziele der Thermodynamik
Die Thermodynamik ist eine der wichtigsten natur- und ingenieurwissenschaftliche Disziplinen, wenn es um die Umsetzung von Innovationen geht. Sie hat ihren Ursprung im Bereich der Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren und beschäftigte sich mit dem Wärmehaushalt von Stoffen bzw. der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit. Der Name Thermodynamik kommt von den altgriechischen Wörtern thermós=warm und dýnamis=Kraft.
Studierende, die dieses Modul erfolgreich abgeschlossen haben, können …
- grundlegende, physikalische Zusammenhänge der Wärmelehre anwenden,
- Probleme mit Bezug zur Ingenieurpraxis und zu Vorgängen in der Natur und Technik lösen,
- die erworbenen Kenntnisse auf Aufgabenstellung weiterer ingenieurwissenschaftlicher Fächer übertragen,
- verstehen, wie Phasenübergänge unser tägliches Leben beeinflussen,
- den Einfluss der Stoffeigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten zur Energiewandlung kennen,
- neue Produkte von Anfang an sinnvoll entwickeln und deren Funktion sicherstellen,
- einfache thermodynamische Problemstellungen mit dem Simulationstool Simcenter Amesim modellieren,
- selbständig thermodynamische Versuchsanordnungen in den Lernwerkstätten abarbeiten.
Hauptsätze der Thermodynamik
Basis der Lehrveranstaltungen sind die Grundsatzregeln der Thermodynamik, die in Form sogenannter Hauptsätze dokumentiert sind:
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt die Energieerhaltung in thermodynamischen Systemen. Er besagt, dass die Energie eines abgeschlossenen Systems konstant ist.
Während der erste Hauptsatz eindeutig formuliert ist, existieren für den zweiten Hauptsatz unterschiedliche Definitionen.
Nach der Formulierung von Clausius gilt: „Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.“
Dagegen formulieren Kelvin und Planck den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wie folgt: „Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs.“
Schließlich geht der 3. Hauptsatz der Thermodynamik auf den deutschen Physiker Walther Nernst zurück und wird auch als Nernst-Theorem oder Nernstscher Wärmesatz bezeichnet.
Lehrmethode und Medien
Der Dozent Prof. Dr. Frank Rückert führt für das Modul Thermodynamik ein Lernteam-Coaching (LTC) durch. Zudem stellt er ein Skript bereit und bearbeitet mit den Studierenden Übungsaufgaben mit Lösung. In das Skript sind Lernziele, Lernkontrollen und Beispiele sowie Übungsaufgaben integriert. zudem üben die Studierenden konkrete Anwendungen mit dem Simulationsprogramm Simcenter Amesim ein. Zusätzlich werden für die unterschiedlichen Lern-Einheiten jeweils versuchstechnische Praktika in den Lernwerkstätten (LW) angeboten. Begleitend zu Übungsaufgaben und Simulation soll hier das Wissen vertieft und gefestigt werden.
Literatur zur Thermodynamik
Alle Literaturhinweise sind zu Amazon verlinkt.
Rückert, F.U./Sauer, M.: Die Erstellung eines digitalen Zwillings, Springer Verlag, 2021
Langeheinecke, K./Kaufmann, A./Thieleke, G.: Thermodynamik für Ingenieure, Vieweg, 2020