Unterschied Enthalpie und Entropie

Einführung in Enthalpie und Entropie

Die Begriffe Enthalpie und Entropie sind zentrale Konzepte in der Thermodynamik und spielen eine wichtige Rolle in der technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Enthalpie beschreibt den Energieinhalt eines Systems, während Entropie ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit im System ist. Beide Größen sind entscheidend für die Bewertung und Optimierung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) sowie anderen thermischen Prozessen in Gebäuden. Es ist wichtig zu verstehen, warum Enthalpie in kJ/kg und Entropie in kJ/(kg*K) gemessen werden.

Enthalpie

Enthalpie (H) ist definiert als die Summe aus innerer Energie (U) und dem Produkt aus Druck (p) und Volumen (V):

$H = U + pV$

Diese Größe ermöglicht es, den Energieaustausch bei konstantem Druck zu beschreiben, was besonders in der Gebäudetechnik nützlich ist, da viele Prozesse unter Umgebungsdruck ablaufen. Die spezifische Enthalpie (h) bezieht sich auf die Masse eines Stoffes und wird daher in kJ/kg gemessen, um den Energiegehalt pro Kilogramm des Stoffes anzugeben. Dies erleichtert die Berechnung und Vergleichbarkeit von Energieinhalten unterschiedlicher Stoffmengen.

Entropie

Entropie (S) hingegen ist ein Maß für die Unordnung innerhalb eines Systems. Ihre Änderung kann durch die folgende Formel beschrieben werden:

$dS = \frac{dQ_{rev}}{T}$

Wobei dQrev die reversible Wärme und T die absolute Temperatur ist. Entropie ist ein Indikator für die Effizienz eines thermodynamischen Prozesses. In der TGA zeigt eine höhere Entropieänderung tendenziell ineffizientere Prozesse an. Die spezifische Entropie (s) wird in kJ/(kg*K) gemessen, weil sie die Änderung der Energie pro Kilogramm Stoff und Kelvin Temperaturänderung beschreibt. Dies verdeutlicht, wie sich die Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems in Bezug auf eine Temperaturänderung verhält.

Formeln zur Berechnung und für den Nachweis der Funktionalität

Berechnung der Enthalpie

Für viele Anwendungen in der TGA ist die spezifische Enthalpie (h) wichtig, die sich auf die Masse (m) eines Stoffes bezieht:

$h = \frac{H}{m}$

Zur Berechnung der Enthalpieänderung (ΔH) bei konstantem Druck verwenden wir:

$\Delta H = \Delta U + p \Delta V$

Wobei ΔU die Änderung der inneren Energie und ΔV die Volumenänderung ist.

Berechnung der Entropie

Die spezifische Entropie (s) ist definiert als:

$s = \frac{S}{m}$

Für die Entropieänderung (ΔS) gilt bei einem reversiblen Prozess:

$\Delta S = \int \frac{dQ_{rev}}{T}$

Anwendungsbeispiel

Ein typisches Beispiel in der technischen Gebäudeausrüstung ist die Luftkonditionierung. Hierbei wird die Enthalpie genutzt, um den Energieinhalt der zugeführten und abgeleiteten Luftmengen zu berechnen und somit die Effizienz der Anlage zu bestimmen. Die Entropie ermöglicht es, die irreversiblen Verluste durch Reibung und andere dissipative Effekte zu quantifizieren.

Geschichte des Themas innerhalb Deutschlands

Die Entwicklung der Thermodynamik in Deutschland

Die thermodynamischen Grundlagen von Enthalpie und Entropie wurden im 19. Jahrhundert in Deutschland maßgeblich durch Wissenschaftler wie Rudolf Clausius und Hermann von Helmholtz entwickelt. Clausius führte den Entropiebegriff ein und legte damit die Basis für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Vor- und Nachteile

Vorteile

Enthalpie: Ermöglicht die präzise Berechnung der Energieübertragung unter realen Bedingungen.
Entropie: Hilft, die Effizienz von Prozessen zu bewerten und Verluste zu minimieren.

Nachteile

Enthalpie: Die Berechnungen können komplex sein und erfordern genaue Messdaten.
Entropie: Konzepte können schwer verständlich sein und erfordern tiefgehendes thermodynamisches Wissen.