Numerische Simulationen von thermodynamischen Kreisprozessen bei endlicher Prozessgeschwindigkeit

Die Dissertation untersucht thermodynamische Kreisprozesse bei endlicher Prozessgeschwindigkeit durch numerische Simulationen. Ein neu entwickeltes numerisches Verfahren wird auf Quantenspinysteme angewandt. Die Arbeit beleuchtet die Möglichkeit, magnetische Moleküle mittels Spinhamiltonoperatoren zu modellieren. Diese Modelle vernachlässigen in der Regel alle Wechselwirkungen außer den Spin-Spin-Wechselwirkungen. Dies ist eine akzeptable Annäherung, da bei sehr niedrigen Temperaturen die anderen Wechselwirkungen oft irrelevant sind. Die Dissertation zeigt, dass analytische Lösungen nur für sehr kleine Systeme existieren, was die Notwendigkeit von numerischen Berechnungen unterstreicht. Die Größe des Hilbertraums wächst exponentiell mit der Anzahl der Spins, was zusätzliche Vereinfachungen erforderlich macht. Die Arbeit thematisiert auch die Herausforderungen bei der Berechnung von thermischen Erwartungswerten, die oft auf Gleichgewichtserwartungswerte ohne Dynamik beschränkt sind. Ein zentrales Konzept ist die Magnetokalorik, die auf dem magnetokalorischen Effekt basiert, welcher für die magnetische Kühlung von Bedeutung ist.

Der Abschnitt behandelt verschiedene Kreisprozesse, insbesondere den Otto-Prozess, den Stirling-Prozess und den Carnot-Prozess. Diese Prozesse werden sowohl als Wärmekraftmaschinen als auch als Wärmepumpen realisiert. Der Carnot-Prozess wird detailliert analysiert, insbesondere in Bezug auf die Realisierung und das Verhalten in Abhängigkeit von ∆S. Die Dissertation hebt hervor, dass die Effizienz dieser Prozesse stark von der Temperatur und den Umgebungsbedingungen abhängt. Die thermodynamischen Eigenschaften dieser Prozesse werden durch numerische Simulationen untersucht, um die praktischen Anwendungen in der Energieumwandlung und Kühltechnik zu verdeutlichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kreisprozesse unter bestimmten Bedingungen optimiert werden können, was zu einer verbesserten Energieeffizienz führt.

2.1 Allgemeine Kreisprozesse

2.2 Beschreibung realistischer Prozesse

Die Dissertation untersucht die praktischen Anwendungen des magnetokalorischen Effekts in der Kühltechnik. Der Effekt wird als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Kühlsystemen dargestellt. Die Arbeit hebt hervor, dass der magnetokalorische Effekt vor allem im Sub-Kelvin-Bereich von Bedeutung ist, jedoch auch Ansätze zur Anwendung bei Raumtemperatur existieren. Die Effizienz dieser Technologien wird durch die Möglichkeit, Magnetfelder schnell zu variieren, erheblich gesteigert. Die Dissertation diskutiert auch die Anisotropie in den verwendeten Materialien, die für die Nutzung des anisotropen magnetokalorischen Effekts entscheidend ist. Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer, effizienter Kühlsysteme.