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Wissenschaftstheorie und Interpretationen der Physik Runder Tisch für Physiker, Erkenntnis- und Wissenschaftstheoretiker

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  #31  
Alt 19.05.17, 06:52
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soon soon ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
das wären gerade mal ein Wirkungsgrad von 5,93 exp - 11 % ....

Lichtausbeute
Da stimmt aber einiges nicht in der Rechnung bzw. Betrachtungsweise.

Die 'Lichtausbeute' liegt bei nahezu 100%. Und ich finde es im Gegenteil absolut faszinierend wie wenig Masse wie viel elektromagnetische Strahlung ist.

Die Definition von Wirkungsgrad, bezogen auf eine technische Anlage, wie im Wikipedia-Artikel zu 'Wirkungsgrad', greift bezüglich der Sonne sowieso nicht.
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... , can you multiply triplets?
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  #32  
Alt 19.05.17, 07:14
Benutzerbild von TomS
TomS TomS ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Bingo!

Deswegen hatte ich zunächst darum gebeten, den Wirkungsgrad zu definieren. Und bzgl. der letzten Idee war meine Anmerkung, dass man dies am besten gar nicht Wirkungsgrad nennt.

Zunächst mal verrichtet die Sonne keine mechanische Arbeit. Zum zweiten handelt es sich um ein offenes System. Definitionen, die diese Voraussetzungen enthalten, sind also zunächst mal problematisch und können nicht blind angewandt werden.

Am einfachsten vergleicht man die Fusion mit einer gewöhnlichen Verbrennung: man setzt Brennstoff ein und erhält freiwerdende Energie plus "Asche". Die eingesetzte Energie entspricht der Gesamtenergie einschließlich Ruheenergie der Sonne. Die freiwerdende Energie kann man nochmals unterteilen in nutzbare und nicht nutzbare Energie. Die Betrachtung bezieht sich auf die Sonne bzw. das Plasma im Reaktor als Ganzes; bei letzterem muss außerdem noch Einschluss und Heizung berücksichtigt werden.

Vergleicht man lediglich die elementaren Fusionsprozesse, so sollte man nicht von Wirkungsgrad sprechen.
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  #33  
Alt 19.05.17, 08:27
Ich Ich ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Es ist eher die Frage danach, wie viel der, in Fusionsprozessen, frei werdenden Energie, als elektromagnetische Energie abgestrahlt wird.
Wenn das die Frage war, dann ist es einigermaßen eindeutig, wenn man noch unterstellt, dass der kontinuierliche "Betrieb" gemeint ist. Dann ist sowieso schon alles ionisiert, der Sonnenwind trägt also nur kinetische Energie davon. Seine eigene Ruhemasse zählt nicht zur Energiebilanz, weil sie nicht in Fusionsprozessen erzeugt wurde. Da der Sonnenwind nur ~1 Mio Tonnen pro Sekunde Massenstrom mit einer Geschwindigkeit von ~350 km/s hat, ist er gegenüber den 4 Mio Tonnen Strahlungsenergie pro Sekunde tatsächlich vollkommen vernachlässigbar. Was bedeutet, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung von kinetischer Energie in Strahlungsenergie sehr nahe bei 1 liegt.
Damit ist alles, was die Sonne verlässt, entweder EM-Strahlung oder Neutrinos. Und wenn man den Anteil der EM Strahlung als Wirkungsgrad bezeichnet, dann landet man bei den 98 %.

Bei einem Fusionsreaktor gibt es natürlich sehr viele andere Möglichkeiten, Fusionsenergie abzuleiten. Insbesondere liegt die tatsächliche Nutzenergie nicht als EM-Strahlung vor, sondern als elektrische Energie, die im Kraftwerk erzeugt wurde. Deren Anteil würde man normalerweise als Wirkungsgrad bezeichnen, und das ist natürlich nicht vergleichbar mit dem Fall der Sonne.
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  #34  
Alt 19.05.17, 22:47
nisus nisus ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Verstehe ich das vereinfacht so richtig, wenn ich davon spreche, daß die von der Sonne ausgestrahlte Energie zu 98 % im elektromagnetischen Spektrum verteilt ist?

(also im Massenäquivalent etwa 4 Tonnen je Sekunde?)

Jetzt stelle ich mir die Antwort auf die ursprüngliche Frage in der Weise vor, daß nicht der Wirkungsgrad erfasst wird, sondern das Verteilungsverhältnis der Energie.

Meine Vorstellung zum Fusionsreaktor ging dahin, daß ich mir vorgestellt habe, es gäbe bei jeder Fusion einen "Blitz".
Das scheint dann aber nicht so zu sein...

Wenn die Sonne keine mechanische Arbeit verrichtet und deshalb eher nicht von Wirkungsgrad dieser gesprochen werden kann,
warum kann dann bei einer Glühlampe von Wirkungsgrad gesprochen werden, wenn bei dieser ebenso wenig mechanische Arbeit verrichtet wird?
Zumal die angegebene Aufteilung von 5 % Licht und 95 % Wärme auch nicht richtig sein kann, weil "vor" der Lampe die Elektronen genau so schnell durch den elektrischen Leiter fließen, wie "hinter" der Lampe.
Weiter wäre dann auch "Licht" so wie "Wärme" Energie im elektromagnetischem Spektrum und damit wäre ja im Sinne der Energievehälnisse zum ausgesendeten Äquivalent 100 % der zugeführten Energie umgewandelt...und das halte ich für unmöglich.Wie gesagt, weil die Elektronen immer noch im Leiter fließen...

nisus
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  #35  
Alt 20.05.17, 07:45
Benutzerbild von TomS
TomS TomS ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Jetzt stelle ich mir die Antwort auf die ursprüngliche Frage in der Weise vor, daß nicht der Wirkungsgrad erfasst wird, sondern das Verteilungsverhältnis der Energie.
Das Problem ist, dass du ständig zwischen verschiedenen Fragestellungen hin und herwechselst.

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Meine Vorstellung zum Fusionsreaktor ging dahin, daß ich mir vorgestellt habe, es gäbe bei jeder Fusion einen "Blitz".
Das ist nicht so. Ein Fusionsreaktors nach Tokamak- oder Stelleratorprinzip soll möglichst kontinuierlich Fusionsenergie freisetzen. Bei den dabei relevanten Kernreaktionen wird die Energie im Wesentlichen als Neutronenstrahlung frei; es gibt keinen Blitz, m.W.n. auch praktisch kein Leuchten aus Sekundärprozessen.

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Wenn die Sonne keine mechanische Arbeit verrichtet und deshalb eher nicht von Wirkungsgrad dieser gesprochen werden kann, warum kann dann bei einer Glühlampe von Wirkungsgrad gesprochen werden, wenn bei dieser ebenso wenig mechanische Arbeit verrichtet wird?
Man kann das schon tun, aber man muss den Wirkungsgrad geeignet definieren, mittels der eingesetzten Energie sowie der resultierenden nutzbaren Energie.

Und du musst dich festlegen, was du betrachten und was du vergleichen willst. Du springst zwischen der elementaren Fusionsreaktion mit praktisch Null freiwerdender el.-mag. Strahlung sowie der gesamten Sonne hin und her. Was interessiert dich nun wirklich? Was ist die eingesetzte und was die nutzbare Energie? Was willst du vergleichen?

Wenn du die zur initialen Zündung sowie insbs. die zum Einschluss notwendige Energie weglässt, dann kannst du für den Reaktor keinen Wirkungsgrad berechnen, dann bist du wieder bei der elementaren Fusionsreaktion.

Willst du die Ruhemasse als intesetzte Energie betrachten? Dann hast du das selbst schon zu berechnen versucht, der "Wirkungsgrad" ist winzig. Und im Sinne eines technischen Wirkungsgrades beim Reaktor ist das irrelevant, denn die eingesetzte Ruhemasse ist "for free", der Wasserstoff ist es nach "da", du musst nichts "aufwenden".

Wir tappen hier etwas im Nebel herum:

Zitat:
Zitat von Ich Beitrag anzeigen
Wenn das die Frage war, ... wenn man noch unterstellt ... Und wenn man den Anteil der EM Strahlung als Wirkungsgrad bezeichnet ...
Zitat:
Zitat von Ich Beitrag anzeigen
Bei einem Fusionsreaktor ... Deren Anteil würde man normalerweise als Wirkungsgrad bezeichnen, und das ist natürlich nicht vergleichbar mit dem Fall der Sonne.
Leg' dich doch bitte fest, was genau dich interessiert.
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Geändert von TomS (20.05.17 um 07:51 Uhr)
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  #36  
Alt 20.05.17, 21:36
nisus nisus ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

#

ok...
Um den Wirkungsgrad der Sonne in dem Sinne zu beschreiben, daß das Energieäquivalent der Masse als Initialisierungsenergie gilt,
verliert die Frage ihren Sinn.Er ist also unbedeutend klein.

Da die elektromagnetische Strahlung der Sonne aus sekundären Prozessen abgeleitet wird, steht diese Umwandlung nicht im unmittelbaren Zusammenhang mit der eigentlichen Sonne.

In Fusionsreaktoren herrschen ganz andere Bedingungen als in der Sonne und dazu laufen auch noch ganz andere Prozesse ab, bei denen nicht elektromagnetische Strahlung emittiert wird. Das ermöglicht wieder keinen schlüssigen Vergleich.

Da nun die Sonne "macht was sie will" , ohne das darauf Einfluss genommen werden könnte, möchte ich mich bitte auf die Fusion selbst beschränken.
Also mit den eingesetzten Fusionspartnern Deuterium und Tritium
...
und den zur Initialisirung dieser Fusion auf zu wendenden Energie.

Das dabei keine elektromagnetische Strahlung entsteht, ist schade - weil die mich interessiert...(läßt sich dann aber aus der thermischen Energie ableiten?)

Zur Ermittlung eines Wirkungsgrades von einem Fusionsreaktor, muss ja die Entscheidung auf eines der Modelle fallen.
Ich kenne noch den "Z - Pinch" ...das haben sich die Russen ausgedacht und die Amerikaner arbeiten wohl auch damit.
Bei diesem Prinzip denke ich, ist die Ermittlung eines Wirkungsgrades "einfacher" , weil die Initialisierungsenergie potentiell vorliegt - wenn ich mich da nicht irre.

Um dabei die vormals gefordete Systemgrenze zu formulieren,
ist der Grundzustand des Reaktors und der Fusionspartner "kalt"
und die Ausgangsenergie diejenige, die als verwertbare, elektrische Energie vorliegt. Dabei zeigt sich doch schon folgend die Schwierigkeit, daß der temporäre Faktor von entscheidender Bedeutung ist. Denn, ist der Reaktor erst einmal vorgeheizt und existiert das Plasma, dann verschiebt sich der Wirkungsgrad zugunsten der verwertbaren Energie mit zunehmender Stabilität des Plasmas.
Möglicherweise ist es günstiger von einer "Wirkleistung" zu sprechen, weil darin der direkte Bezug zum integralen Mittel des Prozesses liegt - aber das ist nur so eine Idee.

also :
Wirkungsgrad eines Fusionsreaktors des Funktionsprinzips "X".
(in Anlehnung an die ursprüngliche Frage)

Der Umfang des zu Grunde liegenden Themas gestattet es mir nicht, nur eine einzige Frage dazu zu stellen und einiges habe ich vorher so eben nicht gewusst.
Ich lerne praktisch dazu - und das finde ich cool!
In der "Normalo - Presse" steht eben drin "...Fusion wie in der Sonne..." das führt zu Missverständnissen, wie meine es zeigen.
Auch im "Metzler" sind derartige Äußerungen vorherrschend.

Danke für die Nachsichtigkeit.

nisus
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  #37  
Alt 21.05.17, 08:12
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Da die elektromagnetische Strahlung der Sonne aus sekundären Prozessen abgeleitet wird, steht diese Umwandlung nicht im unmittelbaren Zusammenhang mit der eigentlichen Sonne.
Die Umwandlung erfolgt immerhin innerhalb der Sonne.

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
In Fusionsreaktoren herrschen ganz andere Bedingungen als in der Sonne und dazu laufen auch noch ganz andere Prozesse ab, bei denen nicht elektromagnetische Strahlung emittiert wird.
Die primären Fusionsprozesse sind sehr ähnlich; lediglich die Proton-Proton-Reaktion ist in einem Fusionsreaktor aufgrund der geringen Dichte irrelevant.

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Umwandlung in el.-mag. Energie in der Sinne relevant ist, im Reaktor nicht.

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Das ermöglicht wieder keinen schlüssigen Vergleich.
Doch, der wäre schön möglich, aber nur wenn du die gesamte freiwerdende Energie betrachtest, nicht nur den Anteil der el.-mag. Strahlung.


Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
... möchte ich mich bitte auf die Fusion selbst beschränken.
Also mit den eingesetzten Fusionspartnern Deuterium und Tritium
...
und den zur Initialisierung dieser Fusion auf zu wendenden Energie.
Für die Fusionsprozesse liefert Wikipedia einen recht guten Überblick: welchen laufen ab, wieviel Energie wird jeweils (als kinetische Energie) frei.

Zur initialen Zündung sowie weiteren Heizung werden im Reaktor unterschiedliche Methoden der Energiezufuhr verwendet, z.B. magnetisch induzierte Ströme und Mikrowellen. Das hat dann aber nichts mehr mit der eigtl. Fusionsreaktion zu tun.

Im Falle der Sonne stammt die Energie zur initialen Zündung aus der potentiellen Energie des anfangs vorhandenen Gases, das dann zur Sonne kollabiert. Diese potentiellen Energie wird in innere = thermische Energie umgewandelt.

Im Falle der Sonne liefert die Gravitation auch den Einschluss; du kannst Heizung und Einschluss nicht trennen. Beim Reaktor in der Praxis auch nicht.

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Zur Ermittlung eines Wirkungsgrades von einem Fusionsreaktor ...
... schlage ich vor, dass wir uns an der in der Literatur verfügbaren Definition orientieren; sonst führt das zu nichts. Den Wirkungsgrad der Sonne definieren wir dann entsprechend.

Das hat aber kaum noch etwas mit den Details der Fusion zu tun; das wäre eine andere Fragestellung.

Um voranzukommen, schlage ich dir dringend diese Vorgehensweise vor, sonst verzettelst du dich.




Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Denn, ist der Reaktor erst einmal vorgeheizt und existiert das Plasma, dann verschiebt sich der Wirkungsgrad zugunsten der verwertbaren Energie mit zunehmender Stabilität des Plasmas.
Ja.

Man kann den über einen längeren Zeitraum gemittelten Wirkungsgrad betrachten.

Zitat:
Zitat von nisus Beitrag anzeigen
Der Umfang des zu Grunde liegenden Themas gestattet es mir nicht, nur eine einzige Frage dazu zu stellen ...
Aber zu einem Zeitpunkt könntest du immer genau eine Frage stellen.
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  #38  
Alt 21.05.17, 08:33
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

http://www.jt60sa.org/b/FAQ/EE2.htm

Zitat:
ITER will produce about 500 MW of fusion power in nominal operation, for pulses of 400 seconds and longer. Typical plasma heating levels duriung the pulse are expected to be about 50 MW, so power amplification (Q) is 10. Thus during the pulse the ITER plasma will create more energy than it consumes.

The efficiency of the heating systems is ~40%. Other site power requirements lead to a total steady power consumption af about 200 MW during the pulse. Now the fusion power of ITER is enhanced by about 20% due to exothermic nuclear reactions in the surrounding materials. If this total thermal power were then converted to electricity at 33% (well within reach of commercial steam turbines), about 200 MW of electrical power would be generated.

Thus ITER is about equivalent to a zero (net) power reactor, when the plasma is burning. Not very useful, but the minimum required for a convincing proof of principle. In ITER the conversion to electricity will not be made: the production of fusion power by the ITER experiment is too spasmodic for commercial use, and the ITER reactor can be designed with low temperature coolants which ease safety and licensing conditions with today's nuclear-licensed austenitic steels, and money can be saved on relatively well-known engineering.

This also explains ITER's interest in extending pulses to steady state. A reactor operating for only 7 minutes every 30 minutes is not attractive, since little electricity can be produced during much of the "dwell" time, but some plant power is nevertheless consumed then.

ITER will carry out tests of electricity production from fusion on a small scale. Some test blanket modules being used to develop power reactor blankets will include a complete steam-raising cycle and turbine in the port cell, allowing the generation of some electrical power even on ITER. The electric power delivered from such a small section of the ITER blanket will be ~ 1 MW.
Zusammenfassend:
50 MW initiale Zündungen, Heizung und Einschluss
500 MW freiwerdende Fusionsenergie
Wirkungsgrad gemittelt 1000%
Dabei Ruheenergie des Wasserstoffs nicht mitgerechnet

Das könnte man jetzt mit der Sonne vergleichen:
1) initiale Zündungen, Heizung und Einschluss durch Energie im Gravitationsfeld
2) lang laufende Fusion von Wasserstoff unter der Annahme der vollständigen Fusion zu Helium ohne weitere Prozesse
3) dabei die Gesamtausbeute oder wie oben von Ich berechnet die dominierende Ausbeute durch elektromagnetische Strahlung
Wenn du (1) weglässt, dann ist der Wirkungsgrad Unendlich!
Bei (2) vernachlässigst du weitere Prozesse, die insbs. bei älteren Sternen Bus hin zum roten Riesen und weißen Zwerg wichtig werden.
(3) haben wir oben diskutiert.

In einer groben Überschlagsrechnung würde ich die initiale potentielle Energie im Gravitationsfeld ansetzen sowie die vollständige Fusion von Easserstoff zu Helium gemäß der Proton-Proton-Reaktion.

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Proton-Proton-Reaktion
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  #39  
Alt 26.06.17, 02:46
nisus nisus ist offline
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

#

Hallo

dem Vorschlag, die Proton - Proton - Reaktion zu betrachten, um ein Verhältnis bestimmbar zu machen, nehme ich gerne an.

Um näherungsweise rechnen zu können, stellt sich noch die Aufgabe, ohne Punkt "1" weg zu lassen! - , daß ein Stern idealisiert wird, der den Eigenschaften der Sonne entspricht.

Um besser zu verstehen - wie groß ist die Energie des Gravitationsfeldes der Sonne?

nisus
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  #40  
Alt 26.06.17, 07:52
Timm Timm ist offline
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Ort: Weinstraße, Rheinld.Pfalz
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Standard AW: Welchen Wirkungsgrad besitzt die Sonne?

Meines Wissens haben Gravitationsfelder keinen Energieinhalt. Andernfalls sollten sie eine Quelle der Gravitation und als solche Bestandteil des Energie-Impuls-Tensors sein. Was aber nicht der Fall ist.
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Der Verstand schafft die Wahrheit nicht, sondern er findet sie vor - Aurelius Augustinus
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