Zitat von Annett Winter, Alpha Centauri, 27.03.2006 17:25:
Da ich gerade Zeit habe, möchte ich gleich meine Kritik an Friebes Artikel "Der CARNOTsche Wirkungsgrad - Ein folgenschwerer Irrtum" anschließen. Der Artikel findet sich hier :
http://www.ekkehard-friebe.de/Carnot.htm
Ich gehe dabei nur auf die offensichtlichen, eklatanten Fehler ein - kleine Unsauberheiten bezüglich Formulierungen möchte ich allein aufgrund ihrer Menge nicht besprechen. Der Post würde sonst zu lang werden.
Kurze Einführung in die Thematik
Der Carnot-Prozess ist ein
idealer Kreisprozess. Thermodynamische Kreisprozesse sind die Grundlage der heutigen Verbrennungsmotoren, der Wärme-Kraft-Maschinen und der Kraft-Wärme-Maschinen.
Bei einem Kreisprozess wird ein Gas periodisch erwärmt und abgekühlt, wobei es periodisch expandiert und komprimiert wird. Zur Erwärmung und Abkühlung benutzt man zwei große Wärmespeicher (Reservoire), wobei die Definition des Carnot-Prozesses bereits beinhaltet, dass diese Reservoire extrem groß sind und daher keinen Temperaturschwankungen unterliegen, auch wenn ein wenig Wärme zur Erwärmung des Gases aus dem Reservoir herausgezogen wird. (Analogie : Weltmeere. Auch wenn ich im Meer Wärme abgebe und dafür gleichzeitig abgekühlt werde, hat das auf die Temperatur des Meeres keinen Einfluss).
Die zentrale Aussage des Zweiten Hauptsatzes ist folgende :
Man kann nicht Wärme aus einem Reservoir ziehen, und diese Wärmeenergie vollständig in nutzbare Energie umwandeln. (Beipiel : Weltmeere. Man kann kein Schiff bauen, welches nur durch die Wärmeenergie des Meeres angetrieben wird.)
Daher geht der Carnot-Prozess von zwei Reservoiren aus, damit Energie gewonnen werden kann.
Der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses wurde von Clausius berechnet :
eta = 1 - (T1/T2)
Da T2 immer größer ist als T1, ergibt sich ein theoretisch erreichbarer Wirkungsgrad von 1, wenn der Temperaturunterschied unendlich groß ist.
In der Realität ist dies nicht möglich, daher haben reale Maschinen immer einen Wirkungsgrad <1.
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Herr Friebe behauptet, drei grundlegende Irrtümer in dieser Theorie gefunden zu haben :
Irrtum 1.
Der CARNOT-sche Prozeß wird als geschlossener thermischer Kreisprozeß bezeichnet. Jedoch ist er lediglich geschlossen bezüglich des eingeschlossenen Arbeitsmittels (Gasmasse), nicht jedoch bezüglich der Wärmeenergie. Denn der „heiße“ Speicher (Körper A) muß dauernd nachgeheizt und der „kalte“ Speicher (Körper B) dauernd gekühlt werden, um die vorausgesetzte konstante Temperatur zu erhalten. Die mathematisch so elegante Annahme einer Temperatur-Konstanz der beiden Speicher ist also physikalisch vollkommen unvernünftig, da damit vorgetäuscht wird, die beiden Speicher befänden sich in einem statischen Zustand.
1. Herr Friebe hat die Bedeutung des Wortes "geschlossen" nicht verstanden. Es bedeutet lediglich, dass im pV-Diagramm ein geschlossener Weg durchlaufen wird. Ansonsten wäre ein "Kreisprozess" nicht möglich.
2. Herr Friebe bemängelt, dass die Reservoire dauernd nachgekühlt/geheizt werden müssen. Wie oben bereits dargestellt, sind die Reservoire
per definitionem so gross, dass dieser Effekt vernachlässigbar ist (siehe obige Analogie : Weltmeere).
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Irrtum 2.
Es wurde übersehen, daß Wärmeenergie bei dem hier betrachteten thermo-dynamischen Prozeß sowohl als statische Größe (Wärmeenergie = Temperatur mal Wärmekapazität) als auch als dynamische Größe (Wärmeenergie = Temperaturdifferenz mal Energiefluß) auftritt.
Was Herr Friebe mit "statischer" und "dynamischer" Wärmeenergie meint, bleibt unklar. Generell gilt, dass Wärme eine "Prozessgröße" im Gegensatz zu einer "Zustandsgröße" ist.
CARNOT ist sich hier offensichtlich bewußt, daß ein Energiefluß zwischen zwei Körpern nur bei einer endlichen Temperaturdifferenz möglich ist, daß aber die Vollkommenheit nur dann erreicht wird, wenn diese Temperaturdifferenz sehr klein ist.
1. Es spricht nichts gegen einen Energiefluss von einem unendlich heissen Körper zu einem kälteren.
2. Wie oben erwähnt, wäre eine
maximale Temperaturdifferenz für den Wirkungsgrad vorteilhaft.
Im theoretischen Ansatz nach CLAUSIUS ist aber an keiner Stelle eine solche kleine Temperaturdifferenz eingeführt worden. Die Temperaturdifferenz zwischen den Körpern ist vielmehr stillschweigend gleich NULL gesetzt worden, so daß ein thermischer Energiefluß gar nicht möglich ist.
Im Wirkungsgrad finden sich zwei Temperaturen. Wäre ihre Differenz "stillschweigend NULL gesetzt worden", würde die Angabe von verschiedenen Temperaturen keinen Sinn machen. Der Wirkungsgrad würde Null ergeben :
eta = 1 - (T1/T2) = 1 - 1 = 0
Ein thermischer Energiefluß findet überhaupt nicht statt. Damit ist jede Aussage über Energiegrößen und Wirkungsgrade unmöglich.
Unklar, unverständlich und zudem sinnfrei.
Irrtum 3.
Bei der Integration über p·dV wurde die Umgebungs-Temperatur nicht berücksichtigt. Denn die Umgebung wirkt als sehr großer thermischer Energie-Speicher, der als Temperatur-Bezugs-Niveau die Grenze zwischen positiven und negativen Temperatur-Differenzen und Energieflüssen bildet und in die Rechnung mit einzubeziehen ist. Dieser Energie-Speicher dient nämlich zur thermischen „Abstützung“ der beiden von CARNOT vorausgesetzten wärmespeichernden Körper A und B
Hier zeigt sich am deutlichsten, dass Herr Friebe den Carnot-Prozess in keinster Weise verstanden hat.
1. Herr Friebe spricht von "der Umgebungstemperatur". Wie oben bereits erklärt, existieren zwei Umgebungen/Reservoire mit unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2.
2. Herr Friebe spricht von "den beiden von CARNOT vorausgesetzten wärmespeichernden Körper A und B". Er meint hier, es müsste
zusätzlich zu den beiden Reservoiren A und B eine Umgebung existieren, welche die Temperaturen der Reservoire ausgleicht. Aus oben genannten Gründen (Weltmeer=Reservoir) ist dies unsinnig.
„Die Umsetzung mechanischer Energie in Wärmeenergie besteht notwendig in der Erhöhung der thermischen potentiellen Energie, in einer Erhöhung des thermischen Potentials. Jedoch nicht absolut genommen, sondern in der relativen Erhöhung des Potentials, in der Bildung einer Temperaturdifferenz. Die Energiebilanz wird allein durch diese Temperaturdifferenz bestimmt, nicht durch absolute Temperaturen. Eine Temperaturabnahme, also eine negative Temperatur gegen die Umgebung bedeutet ebenso eine Zunahme der thermischen potentiellen Energie wie eine Temperaturerhöhung. Beim Thomson-Jouleeffekt wird demnach in jedem Fall mechanische Energie in thermische Energie umgewandelt, gleichgültig ob nun das Gas sich erwärmt oder abkühlt. Die erzeugte Wärmeenergie ist allein bestimmt durch die entstandene Temperaturdifferenz (gegen die wirkliche Umgebung), aber nicht durch eine theoretische absolute Temperatur.“ (Ende des Zitats)
Der Text bezieht sich auf den Joule-Thomson-Effekt und hat überhaupt nichts mit Carnot zu tun.
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Abschließend führt Friebe einen neuen Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur Tu ein :
eta = 1 - (T1-Tu)/(T2-Tu)
Wie bereits erwähnt, bezeichnen T1 und T2 jeweils die beiden Reservoire/Umgebungen. Eine dritte Umgebung existiert laut Voraussetzung überhaupt nicht.
2. T2 > T1, T1 = Tu
Hierbei ist die Temperatur des kälteren Speichers gleich der Umgebungs-Temperatur gewählt. Nun erhält man als Wirkungsgrad:
h = 1 - (T1 - T1) / (T2 - T1) = 1 = 100 %
Es treten also bei den gegebenen Voraussetzungen keinerlei Verluste auf. Glg. stellt daher den optimalen Wirkungsgrad einer thermodynamischen Maschine dar. Dieses Ergebnis weicht entscheidend von Lehrbuchaussagen ab.
Hier macht Herr Friebe eine Fallunterscheidung, um einen möglichen Wirkungsgrad von 100% zu konstruieren. Allerdings muss dafür die Temperatur T1 gleich der Umgebungstemperatur sein, wodurch
kein Wärmefluss stattfinden könnte. Herr Friebe hat damit ein Perpetuum Mobile erschaffen. Weiterhin erinnere ich in diesem Zusammenhang erneut an Friebes Aussage : "Ein thermischer Energiefluß findet überhaupt nicht statt. Damit ist jede Aussage über Energiegrößen und Wirkungsgrade unmöglich."
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KOMMENTAR
So schließt sich denn der Kreis. Was CARNOT schon 1824 intuitiv richtig erkannt hatte, ist durch einen Irrtum in der nicht klar durchdachten Mathematik von CLAUSIUS verfälscht worden. Aus diesem Irrtum ergeben sich weitere Fehler. Wenn auch nur einer dieser Fehler unberücksichtigt bleibt, kommt es zu unüberbrückbaren Widersprüchen. Dadurch ist die Thermodynamik zu einer in sich widersprüchlichen Theorie geworden, die in dem sog. "Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik" gipfelt und die seit mehr als 130 Jahren als wissenschaftliches Dogma die Lehrbücher belastet.
Dieses abschließende Zitat, welches unter gegebenen Umständen meiner Meinung nach höchstens die Lachmuskeln reizen kann, möchte ich nicht weiter kommentieren. Es spricht für sich selbst.
Viele Grüsse,
Annett
P.S. Sollten sich Zweifel an der Richtigkeit meiner Aussagen ergeben, bitte ich um eine kurze Nachricht. Ich werde dann zu einzelnen Aussagen konkreter Stellung nehmen, als es diese kurze Abhandlung erlaubt.
