Energiebilanz: Zustandsänderungen in einem offenen System

Die Energie in einem offenen System kann sich in mehreren Punkten verändern:

  • Das System kann Arbeit netto an die Umwelt leisten/empfangen
  • Das System kann Wärme netto an die Umwelt abgeben/empfangen
  • Das System kann seine Lageenergie erhöhen oder senken
  • Das System kann seine Bewegungsenergie erhöhen oder senken
  • Das System kann Enthalpieänderungen erleben

Lageenergie

Sei L die “Höhe des System (= Lage)”. Wenn L sich verändert muss das in der Energiebilanz berücksichtigt werden. Die Lageenergie des System berechnet sich so:

Lageenergie = m’*g*L

Dabei ist L die Lage, g die Gravitationskonstante und m’ der Massenstrom der durch das System am Eintritt bzw. am Ausgang herrscht. Zu beachten ist, dass in der Energiebilanz nur eine ÄNDERUNG der Lageenergie berücksichtigt wird. Verändert sich die Lageenergie nicht, muss dies auch nicht in der Energiebilanz berücksichtigt werden – da diese ja eine praktische Ausformung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik ist. Eine Änderung muss die Änderung der Lage sowie auch die eventuelle Änderung des Massenstroms berücksichtigen. Ist das System jedoch auch noch stationär, wissen wir, dass der Massenstrom erhalten bleibt (im System wird keine Masse akkumuliert!). Daher berechnet sich die Änderung der Lageenergie im stationären offenen System so:

∆Lageenergie = ∆L*g*m’

Bewegungsenergie

Die Geschwindigkeit sei durch v [m/s] gegeben. Auch hier gilt, dass wir in der Energiebilanz nur eine ÄNDERUNG der Geschwindigkeit bzw. der Bewegungsenergie berücksichtigen. Ändert sich die Bewegungsenergie im System nicht, müssen wir dies auch nicht in der Energiebilanz berücksichtigen.

Die Bewegungsenergie berechnet sich folgendermaßen:

Bewegungsenergie = 0,5*v2*m’

Wobei v die Geschwindigkeit und m der Massenstrom ist. Änderung des Massenstrom muss berücksichtigt werden, wenn das System nicht stationär ist. Ist das System jedoch stationär, vereinfacht sich die Rechnung:

∆Bewegungsenergie = 0,5*∆(v2)*m’