Wie löse ich diese Aufgabe in der Thermodynamik, bezogen auf spezifische Arbeit und der maximal gewinnbaren Leistung?

Hallo zusammen,

ich studiere aktuell Maschinenbau und belege gerade das Modul Technische Thermodynamik.

Dabei habe ich folgende Aufgabe(n):

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Im Windpark in Tönisvorst stehen Windturbinen mit einer Nabenhöhe von 135 m und einer Flügellänge von 63,5 m. Der Leistungskoeffizient e, also das Verhältnis von der elektrischen Leistung der Turbine zu der maximal von dem Wind auf die Turbine übertragbaren Leistung beträgt 45%.

Die mittlere Windgeschwindigkeit soll 6 m/s betragen.

a. Skizzieren Sie das System.

b. Wie groß ist die spezifische Arbeit die der Wind maximal übertragen kann, wenn der Wind durch die Turbine vollständig abgebremst werden könnte?

Die Zustandsänderung soll als adiabat und reibungsfrei angenommen werden.

c. Wie groß ist die maximal gewinnbare Leistung?

d. Wie groß ist die elektrische Leistung unter Berücksichtigung des Leistungskoeffizienten?

e. Wieviel elektrische Energie kann eine Windturbine in einem Jahr (8760 h) bereitstellen?

f. Wie viele Haushalte mit einem durchschnittlichen jährlichen Strombedarf von 3000 kWh können von dieser Turbine versorgt werden?

Luft darf als ideales Gas mit einer individuellen Gaskonstante von R=287 J/kg K angenommen werden. Der Luftdruck beträgt 1,013 bar, die Temperatur 15 °C.

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Kann mir jemand bei der Bearbeitung helfen? Natürlich möchte ich keinen kompletten Lösungsweg mit Ergebnissen, mich würde es einfach nur freuen wenn mir jemand Ansätze liefern könnte. Vorab also Danke für jegliche Hilfe. LG

Temperatur, Leistung, Strom, Energie, Kraft, Elektrotechnik, Spannung, Elektrizität, Formel, kinetische Energie, Mechanik, Physiker, Thermodynamik, Wärmelehre, Wirkungsgrad
Wie löse ich diese Thermodynamik-Aufgabe bezogen auf spezifische Arbeit(Wasserkraftwerk in Essen Kettwig)?

Hallo zusammen,

ich studiere aktuell Maschinenbau und belege gerade das Modul Technische Thermodynamik.

Dabei habe ich folgende Aufgabe(n):

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Am Stausee der Ruhr in Essen Kettwig wird die Ruhr auf eine Höhe von 5m aufgestaut. Der jahresgemittelte Durchfluss der Ruhr beträgt ca. 72 m³/s. Die bei geringen Höhenunterschieden häufig eingesetzten Kaplan-Turbinen erreichen einen Wirkungsgrad von ca. n=85%.

a. Skizzieren Sie das System.

b. Wie groß ist die maximal gewinnbare spezifische Arbeit w12ideal an der beschriebenen Staustufe, wenn die Geschwindigkeitsänderung des Flusses vernachlässig werden kann, die Turbine adiabat und reibungsfrei betrieben werden könnte und das Wasser seine Temperatur nicht ändert.

c. Wie groß ist die spezifische Arbeit w12, wenn der angegebene Wirkungsgrad zugrunde gelegt wird?

d. Wie groß ist die durchschnittlich erzielbare Leistung der Turbine?

e. Wieviel elektrische Energie kann diese Turbine in einem Jahr (8760 h) bereitstellen?

f. Wieviele Haushalte mit einem durchschnittlichen jährlichen Strombedarf von 3000 kWh können von dem Kraftwerk versorgt werden?

Wasser darf als ideale Flüssigkeit mit einer Dichte von 998 kg/m³ angenommen werden.

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Kann mir jemand bei der Bearbeitung helfen? Da ich leider wirklich gar nichts verstehe, aber trotzdem gerne die Aufgabe bearbeiten möchte. Natürlich möchte ich keinen kompletten Lösungsweg mit Ergebnissen, mich würde es einfach nur freuen wenn mir jemand Ansätze liefern könnte. Vorab also Danke für jegliche Hilfe. LG

Wasser, Temperatur, Leistung, Strom, Energie, Kraft, Elektrotechnik, Wärme, Formel, kinetische Energie, Mechanik, Physiker, Thermodynamik, Wärmelehre, Wirkungsgrad
Chemie oder Wirtschaftslehre Abi mündlich?

Hallo ,

ich habe mal eine Frage und zwar kann ich mich nicht zwischen der Chemie mündlichen Abiturprüfung und der Wirtschaftslehrerecht Prüfung entscheiden. Vielleicht könntet mir Tipps bei der Entscheidung geben bzw. Von euren Erfahrungen teilen.

Chemie : Schon am Anfang der 12.Klasse war mir klar, dass ich mündlich in die Chemie Prüfung gehen möchte. Jedoch ist das Problem, dass ich in der 12.Klasse bei einem Lehrer hatte, der die Themen aus der 13.Klasse (Organische Chemie, …) behandelt hat. Nun musste ( weiß nicht warum) der Lehrer die Schule wechseln. Jetzt habe ich in der 13.Klasse einen anderen Lehrer bekommen, der die Themen aus der 13.Klasse behandelt, die ich ja bereits in der 12.Klasse hatte. Die Themen, die regulär in der 12.Klasse behandelt wurden, nämlich Thermodynamik und Reaktionskinetik habe ich nicht unterrichtet bekommen und sind aufjedenfall Bestandteil der mündlichen Chemie Prüfung. Ich möchte sogar in die mündliche Chemieprüfung da es mich interessiert und ich bisher nie schlechter als 13 Punkten Grundkurs war ( bisher immer 14 Punkte in den Halbjahren). Jedoch habe ich Angst, dass die Themen bzw. Fragen aus der Thermodynamik drankommen. Na klar, könnte ich mir das selbst erarbeiten. Das kostet aber bestimmt viel Zeit .

Nun zur Wirschaftslehrerecht: Die andere Option ist in die Wirtschaftslehrerecht Prüfung zu gehen. Das Fach ist sehr lernaufwendig und bin naja im Mittleren Bereich. Es gibt da auch zwei Themen, die ich nicht so verstehe. Bisher hatte ich in den Halbjahren 15 , 10 und 11 Punkte.

Was würdet Ihr mir empfehlen beziehungsweise könnt ihr mir vielleicht Tipps geben. Bezüglich welcher Faktoren sollte ich meine Entscheidung treffen. Tut mir leid für den langen Text und entschuldigt für die Grammatik. ( ich bin nicht aus D

Thermodynamik, Abiturprüfung
Aufgabe zum Carnot-Zyklus?

Hallo, ich stehe vor folgender Aufgabe zum Carnot-Zyklus:

Für den Carnot-Zyklus werden folgende Größen definiert: Die Temperaturen des heißen und des kalten Wärmereservoirs (Th bzw. Tk), das Gasvolumen zu Beginn, Vi, und nach Abschluss des 1., 2. und 3. Schrittes, V´, V´´ bzw. V´´´, nach dem 4. Schritt ist wieder Vi erreicht. Im 1. Schritt wird eine isotherme Expansion des Gases bei Th vorgenommen und im 2. eine adiabatische, dabei wird Tk erreicht. Der 3. Schritt entspricht einer isothermen und der 4. Schritt einer adiabatischen Kompression, es wird wieder Th erreicht. Alle Schritte werden reversibel durchgeführt.

a) Berechne für das System (Gas) für jeden Schritt die Arbeit und die ausgetauschte Wärme.

b) Berechne für jeden Schritt auch dU und dS und zeige mathematisch, dass nach Abschluss eines Zyklus dU und dS jeweils gleich Null ist.

c) Zeige mathematisch, dass die Summe über w und q jeweils nicht gleich Null ist.

d) Berechne den Wirkungsgrad.

Zu a) stellt sich mir die Frage, ob ich angesichts der fehlenden Werte nur die Formeln jeweils herleiten soll, bei b) weiß ich gar nicht, wie ich die innere Energie U und die Entropie S berechnen soll; bei c) weiß ich ebenfalls nicht, wie ich w und q berechnen soll bzw was von mir verlangt wird und bei d) stören mich wieder die fehlenden Werte.

Kann mir hier vielleicht jemand einen Hinweis geben? Danke vielmals!

Arbeit, Rechnung, Temperatur, Gas, Wärme, Entropie, Formel, Thermodynamik, Enthalpie
Hilfe bei Physik verschiedene Aufgaben?

Hallo,

Könnt ihr mir bei den Nachfolgenden Aufgaben helfen? Ich weiß zwar meistens, was gewollt ist, aber keinen Lösungsansatz.

Aufgabe 1:

Töpfe werden oft aus Edelstahl hergestellt. Da Edelstahl verhältnismäßig schlechte Eigenschaften in Bezug auf Wärme hat, wird der Boden von Kochtöpfen aus Edelstahl und Edelstahlpfannen aus mehreren Schichten aufge- baut. Dieser Aufbau wird als Sandwichhoden bezeichnet. Häufig werden in den Böden Schichten aus Aluminium oder Kupfer verwendet.

a) Begründen Sie anhand einer physikalischen Größe, warum ein Kupfer- oder Aluminiumboden im Topf zum

Kochen mit einem Gas- oder Elektroherd besser geeignet ist! ) Prüfen Sie, b ob die spezifische Wärmekapazität der unterschiedlichen Bodenmaterialien relevant ist. Verglei-

chen Sie dazu den Energieaufwand zum Erwärmen von 2 Litern Wasser von Zimmer- (20°C) auf Siedetempe- ratur mit den folgenden Töpfen:

Edelstahltopf mit Kupferkern

Edelstahltopf mit Aluminiumkern

Edelstahltopf mit massivem Edelstahlboden

Die Kerne haben eine Dicke von 0,7 cm und einen Durchmesser von 15 cm. Die Gesamtmasse eines jeden Topfes betrage dabei stets 2,5 kg, was durch unterschiedlich dicke Wandstärken des Edelstahlbleches realisiert wird.

Gehen Sie davon aus, dass sich der Topf ebenfalls vollständig auf die Siedetemperatur des Wassers erwärmt! Beziehen Sie zudem nur die Erwärmung der Topfimaterialien und des Wassers in die Rechnung mit ein! c) Real ist der Energiebedarf deutlich höher. Geben Sie zwei Begründungen an! Welchen Einfluss hat der in a) genannte Vorteil von Kupfer oder Aluminium auf diese beiden Gründe?

Aufgabe 2:

Eine Monozelle des Typs Mignon AA wurde experimentell untersucht. Dazu wurde ein Schaltkreis mit einem cinstellbaren ohmschen Widerstand, einem Schalter, einem Spannungs- und einem Stromstärkemessgerät aufge- baut. Die Schaltung wurde stromrichtig geschaltet. Bei Öffnung des Schalters fließt durch das ohmsche Wider- standsbauteil zwar kein Strom mehr, die Spannungsmessung bleibt aber weiterhin aktiv. Die Innenwiderstände der beiden Messgeräte bleiben bei den experimentellen Auswertungen unberücksichtigt. Folgende Werte wurden gemessen:

U in V | 1,50 | 1,49 | 1,46 | 1,44 | 1,40 | 1,34

I in mA | 0 | 50 | 200 | 300 | 500 | 800

a) Zeichnen Sie einen Schaltplan der Experimentieranordnung b) Stellen Sie die Abhängigkeit der Spannung U von der Stromstärke I in einem Diagramm dar. Interpretieren Sie die Darstellung im Diagramm. c) Berechnen Sie anhand der Angaben die Kurzschlussstromstärke und den Innenwiderstand der Monozelle.

Aufgabe 3 (Ihr müsst nicht das Experiment nachmachen, sondern nur so ungefähre Werte wären gut):

Drei Physiker diskutieren, welchen Einfluss die Verunreinigungen von Wasser mit Salz bzw. Zucker hinsichtlich des Brechungsverhaltens beim Übergang des Lichts von Luft in Wasser haben. Physiker 1 behauptet: „Es wird wohl geringe Unterschiede geben. Sie werden aber wohl so klein sein, dass sich beim Experimentieren aufgrund der Messungenauigkeit kaum signifikante Unterschiede zeigen werden." Physiker 2 sagt: „Die Brechung wird mit höherem Salz- und Zuckergehalt deutlich stärker ausfallen. Ob Saiz oder Zucker beigemischt wird, ist dabei egal." Physiker 3 meint: Mit höherem Salzgehalt wird die Brechung etwas stärker ausfallen als im normalen Wasser Mit höherem Zuckergehalt wird die Brechung dagegen etwas schwächer ausfallen." Überprüfen Sie experimentell, inwiefern die Physiker mit ihren Aussagen richtig oder falsch liegen. Untersuchen Sie dazu die Abhängigkeit der Größe des Brechungswinkels ß von der Größe des Einfallswinkels a für folgende Flüssigkeiten: Leitungswasser, Salzwasser mit geringem Salzgehalt, Salzwasser mit gesättigtem Salzgehalt, Zu- ckerwasser mit geringem Zuckergehalt; Zuckerwasser mit gesättigtem Zuckergehalt. Variieren Sie dabei a von 0° bis fast 90" und stellen Sie die Ergebnisse in einem ẞ(a)-Diagramm dar, welches die Abhängigkeit des Brechungswinkels vom Einfallswinkel für die fünf verschiedenen Flüssigkeiten darstellt. Ferti- gen Sie ein Protokoll an, indem auch Fotos von der Versuchsdurchführung zu sehen sind.

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Warum erzeugen die Freiheitsgrade Vibration & Rotation eigentlich keine Erwärmung?

Temperatur ist eine thermodynamische Größe die alleine durch translation erzeugt wird.

Jetzt könnte man natürlich hinterfragen, wie dann eine Mikrowelle, die Energie in ein System pumpt welche dann anfangs als Rotation der Wassermoleküle gespeichert wird zu einer Temperaturerhöhung führt... das liegt daran, dass diese Energie schnell auf alle andere Freiheitsgrade verteilt wird - eben auch Translation (was bei Festkörpern eher ein wackeln um einen festen Punkt ist [jedoch nicht dasselbe wie der Vibrationsfreiheitsgrad]).

Nun Frage ich mich aber ganz allgemein, warum führt bloß Translation zu einer Erwärmung des Körpers? Rotation & Vibration sind doch ebenso Arten von Bewegungen und besitzen kinetische Energie - diese Bewegungen sind doch aller höchstens nicht ganz so umfangreich wie die Translationsbewegung aber deshalb tragen sie gar nicht zur Temperatur bei?? Klar, die dortige Energie wird immer wieder in Translation umverteilt etc., aber nehmen wir doch einfach für einen Moment an, dass es keine Translation gibt, nur Rotation und Vibration.

Warum müssen sich Molekül als ganzes (Translation ) für Erwärmung bewegen?

Man sieht auch anhand dieses Diagramms, dass die Wärmekapazität erst mit Rotation und Vibration steigt, eben weil die dortige gespeicherte Energie nicht zur Temperaturerhöhung führt und entsprechend mehr Energie rein muss um T weiter zu erhöhen:

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Wie funkieren Infrarot Filter durch Absorption?

Wenn IR Strahlung durch die Moleküle in einem solchen Filter absorbiert wurde, dann wird die Energie in Thermische Energie umgewandelt. Gleichzeitig wird im thermischen Gleichgewicht nun Schwarzkörperstrahlung abgegeben, die größtenteils bei Raumtemperatur im IR Bereich liegt.

Wie also kann zB. ein IR Absorptionsfilter in einer Brille das Auge schützen, wenn der Filter die IR Strahlung direkt wieder selber emittiert?

Praktisch kann ich mir bloß vorstellen, dass die Thermische Energie statt durch Wärmestrahlung schneller durch Konvektion und Wärmeleitung in die umgebende Luft abgegeben wird.

Follow up Frage:

Generell hinterfrage ich momentan auch den Unterschied zwischen Absorbern und Reflektoren auf der Wechselwirkungsebene zwischen Licht und Materie:

  • Ein Absorber kann durch seine spezifischen Eigenschaften Photonen bestimmter Energien absorbieren, was zu einem zu Temperaturerhöhung führt (Translation, Rotation, Vibration) und bei Passender Energie zu angeregten Elektronenzuständen. Die thermische Energie wird durch schwarzkörperstrahlung abgegeben, die angeregten Elektronenzustände fallen wieder zurück und emittieren ein Photon mit gleicher Energie?
  • Bei einem Reflektor bin ich mir noch unsicherer, manche behaupten, dass ein Reflektor direkt so absorbiert, dass nichts in thermische Energie umgewandelt wird, sondern direkt ein Elektron angeregt wird und durch das sofortige zurückfallen ein Photon mit gleicher Energie emittiert wird (zum Beispiel durch verbotene energiezustände im Energieband von Kristallstrukturen). Doch das erklärt beispielsweise nicht, warum beim zurückfallen in den Grundzustand ein Photon in die Richtung emittiert wird, die dem Reflektionsgesetz folgt. Andere behaupten, dass bei Betrachtung von reflektionserscheinungen besser die Wellenvorstellung benutzt werden sollte und beim reflektieren nichts absorbiert und wieder emittiert wird, in dem Sinne wäre ein Absorber ja eigentlich dann auch bloß ein Reflektor.
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