3. Fluidische Aktoren - FB E+I: Home

Ein System ist stationär, wenn es aus der Sicht des jeweiligen Betrachters keine Änderungüber der Zeit erfährt. Beispiel: Ein Auto wird konstant im Windkanal angeströmt. Aus derSicht des Fahrers stellt auch eine konstante Autobahnfahrt eine stationäre Strömung dar, ausder Sicht eines stehenden Beobachters ist ein vorbeifahrendes Auto dagegen instationär.Die Definition von „offenen“ und geschlossenen Systemen ist eine wichtige Festlegung in derThermodynamik. Bei „offenen“ Systemen ist Massenaustausch mit der Umgebung möglich,bei „geschlossenen“ Systemen soll gemäß dieser Definition nur Wärme oder Arbeit über dieSystemgrenzen ausgetauscht werden können.Zustandsänderungen in der Strömungsmechanik/Thermodynamik‣ Isotherme Zustandsänderung: Die Temperatur des Systems bleibt gleich. Dies bedeutet,dass beim Verdichten Wärme an die Umgebung abgegeben und beim Entspannen Wärmeaus der Umgebung aufgenommen wird – nur bei langsamen Vorgängen, die einenTemperaturausgleich zulassen –.‣ Isobare Zustandsänderung: Der Druck im System bleibt gleich. Bei Wärmezufuhr dehntsich das Medium aus und leistet Arbeit gegen die Umgebung, bei Abkühlungentsprechend umgekehrt.‣ Isochore Zustandsänderung: Das System besitzt feste Systemgrenzen, so dass keineVolumenänderungsarbeit anfällt. Alle zugeführte Energie geht in die innere Energie –Temperatur – des Systems.‣ Adiabate Zustandsänderung: Das System sei ideal isoliert. Jede mechanische Arbeit amSystem wird vollständig in innere Energie umgewandelt und umgekehrt. In der Praxiswird diese Zustandsänderung bei sehr schnellen Vorgängen näherungsweise erfüllt, da dieZeit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung nicht ausreicht.Da ideale Gase als kompressible Fluide bei der Erwärmung ihre Dichte ändern, geben sichdaraus gegenüber Festkörpern oder Flüssigkeiten Unterschiede in der sogenannten spezifischenWärmekapazität. Wenn ein Gasvolumen als Randbedingung konstanten Druck hat,wird es sich bei Erwärmung ausdehnen, d.h. mechanische Arbeit an die Umgebung abgeben.Dies entspricht einer isobaren Zustandsänderung und führt zur spezifischen isobaren Wärmekapazitätc p .Ist das Gasvolumen dagegen in einem festen Raum eingespannt, (isochore Zustandsänderung),so ist eine geringere Energiemenge nötig, um dieselbe Temperaturerhöhung zuerreichen, da keine mechanische Arbeit abgegeben werden muss. Mit dieser Zustandsänderungergibt sich eine geringere spezifische isochore Wärmekapazität c v .Das Verhältnis der beiden Wärmekapazitäten wird mit dem Begriff Isentropenexponent (oderauch Adiabatenexponent) bezeichnet:cp (3.3)cvDie Differenz der beiden spezifischen Wärmekapazitäten entspricht der spezifischen GaskonstanteR s für das Fluid:R c - c(3.4)spvWerte für Luft:c p = 1004 J/(kg·K) c v = 717 J/(kg·K) = 1,4 R s = 287 J/(kg·K)Für die Änderung vom Zustand 1 in den Zustand 2 gelten für das geschlossene System dienachfolgenden Gleichungen, wobei der Wärmestrom Q 12 und die Arbeit W 12 über dieSystemgrenzen mit angegeben sind.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 32