Im Gegensatz zur konventionellen adiabatischen Destillation erfolgt bei der diabatischen Destillation Wärmeaustausch nicht nur am Kondensator und Verdampfer, sondern auch innerhalb der Kolonne an den einzelnen Siebböden, was die Entropieproduktion (=Exergieverlust) des Destillationsprozesses stark reduziert. In dieser Arbeit werden Modellsysteme zur diabatischen Destillation von idealen binären Gemischen mittels numerischer Optimierung untersucht. Das Ausgangsmodell beschränkt sich auf die Minimierung der Entropieproduktion verursacht durch Wärme- und Massentransport im Inneren der diabatischen Destillationskolonne. Im zweiten Modell wird das diabatische Modell um die Irreversibilität bedingt durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung erweitert. Im dritten Modellsystem wird anstelle der bis dahin voneinander unabhängig geregelten Bodentemperaturen eine diabatische Implementierung mit seriellen Wärmetauschern untersucht, die nur mehr vier Kontrollvariablen besitzt und besonders zur praktischen Anwendung geeignet ist. Für alle diabatischen Modelle werden die minimale Entropieproduktion und optimalen Betriebsprofile numerisch ermittelt, und mit konventionellen Destillationskolonnen verglichen. Alle Ergebnisse zeigen eine deutlich Reduktion der Entropieproduktion für den diabatische Fall, besonders bei Kolonnen mit vielen Böden. / Contrary to conventional adiabatic distillation, in diabatic distillation columns heat transfer not only happens at the condenser and reboiler but also at the intermediate trays which strongly reduces the entropy production (= exergy losses). In this work, model systems for the diabatic distillation of ideal binary mixtures are investigated numerically.The first model is restricted to the minimization of the entropy production due to heat and mass transfer inside the diabatic column. In the second approach the model is extended with the irreversibility due to heat transfer with the column's surroundings. Instead of independently controlled tray temperatures as in the latter models, we focus on a specific diabatic implementation with sequential heat exchangers, which has merely four controls and which is particularly suitable for practical application. For all diabatic models the minimum entropy production and resulting optimal operating profiles are determined numerically, and compared to the ones obtained for a conventional column. All results show an enormous reduction of the entropy production for the diabatic case, especially for columns with many trays.

The object of this thesis is a graphic based interface to endoreversible thermodynamics. It is meant to enable the user to visually create endoreversible systems and add the properties of the system by choosing features from a list and in form of equations. Then an equation system is built and the power output and efficiency of the endoreversible system is calculated and plotted. To illustrate the functions of the interface, some examples of heat and chemical engines are discussed.

Im Gegensatz zur konventionellen adiabatischen Destillation erfolgt bei der diabatischen Destillation Wärmeaustausch nicht nur am Kondensator und Verdampfer, sondern auch innerhalb der Kolonne an den einzelnen Siebböden, was die Entropieproduktion (=Exergieverlust) des Destillationsprozesses stark reduziert. In dieser Arbeit werden Modellsysteme zur diabatischen Destillation von idealen binären Gemischen mittels numerischer Optimierung untersucht. Das Ausgangsmodell beschränkt sich auf die Minimierung der Entropieproduktion verursacht durch Wärme- und Massentransport im Inneren der diabatischen Destillationskolonne. Im zweiten Modell wird das diabatische Modell um die Irreversibilität bedingt durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung erweitert. Im dritten Modellsystem wird anstelle der bis dahin voneinander unabhängig geregelten Bodentemperaturen eine diabatische Implementierung mit seriellen Wärmetauschern untersucht, die nur mehr vier Kontrollvariablen besitzt und besonders zur praktischen Anwendung geeignet ist. Für alle diabatischen Modelle werden die minimale Entropieproduktion und optimalen Betriebsprofile numerisch ermittelt, und mit konventionellen Destillationskolonnen verglichen. Alle Ergebnisse zeigen eine deutlich Reduktion der Entropieproduktion für den diabatische Fall, besonders bei Kolonnen mit vielen Böden. / Contrary to conventional adiabatic distillation, in diabatic distillation columns heat transfer not only happens at the condenser and reboiler but also at the intermediate trays which strongly reduces the entropy production (= exergy losses). In this work, model systems for the diabatic distillation of ideal binary mixtures are investigated numerically.The first model is restricted to the minimization of the entropy production due to heat and mass transfer inside the diabatic column. In the second approach the model is extended with the irreversibility due to heat transfer with the column's surroundings. Instead of independently controlled tray temperatures as in the latter models, we focus on a specific diabatic implementation with sequential heat exchangers, which has merely four controls and which is particularly suitable for practical application. For all diabatic models the minimum entropy production and resulting optimal operating profiles are determined numerically, and compared to the ones obtained for a conventional column. All results show an enormous reduction of the entropy production for the diabatic case, especially for columns with many trays.

The object of this thesis is a graphic based interface to endoreversible thermodynamics. It is meant to enable the user to visually create endoreversible systems and add the properties of the system by choosing features from a list and in form of equations. Then an equation system is built and the power output and efficiency of the endoreversible system is calculated and plotted. To illustrate the functions of the interface, some examples of heat and chemical engines are discussed.

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.

Informationsthermodynamik ist der aktuelle Trend in der statistischen Physik. Es ist die theoretische Konstruktion eines einheitlichen Rahmens für die Beschreibung der Nichtgleichgewichtsmerkmale stochastischer dynamischer Systeme, wie die Dissipation der Arbeit und die Irreversibilität von Trajektorien, unter Verwendung der Sprache der Fluktuationstheoreme und der Informationstheorie. Die modellunabhängige Natur von Information und Irreversibilität ermöglicht eine breite Anwendbarkeit der Theorie auf allgemeinere (nichtphysikalische) Modelle aus der Systembiologie und der quantitativen Finanzmathematik, in denen asymmetrische Wechselwirkungen und Nichtlinearitäten allgegenwärtig sind. Insbesondere interessieren wir uns für Zeitreihe, die aus Messungen gewonnen werden oder aus einer Zeitdiskretisierung kontinuierlicher Modelle resultieren. In dieser Arbeit untersuchen wir die Irreversibilität von Zeitreihen unter Berücksichtigung der statistischen Eigenschaften ihrer Zeitumkehrung, und leiten daraus ein Fluktuationstheorem ab, das für Signal-Antwort-Modelle gilt, und das Irreversibilität sowie bedingte Informationen mit der Vergangenheit verknüpft. Interagierende Systeme tauschen kontinuierlich Informationen aus und beeinflussen sich gegenseitig. Intuitiv ist der kausale Einfluss der Effekt dieser Wechselwirkungen, der im Hinblick auf den Informationsfluss über die Zeit beobachtet werden kann, aber seine quantitative Definition wird in der Fachgemeinschaft immer noch diskutiert. Wir wenden insbesondere das Schema der partiellen Informationszerlegung (PID) an, das kürzlich definiert wurde, um synergistische und redundante Effekte aus informationstheoretischen Maßen zu entfernen. Hier schlagen wir unsere PID vor und diskutieren die resultierende Definition des kausalen Einflusses für den Sonderfall linearer Signal-Antwort-Modelle. / Information thermodynamics is the current trend in statistical physics. It is the theoretical research of a unified framework for the description of nonequilibrium features of stochastic dynamical systems like work dissipation and the irreversibility of trajectories, using the language of fluctuation theorems and information theory. The model-independent nature of information and irreversibility allows a wide applicability of the theory to more general (nonphysical) models from systems biology and quantitative finance, where asymmetric interactions and nonlinearities are ubiquitous. In particular, we are interested in time series obtained from measurements or resulting from a time discretization of continuous models. In this thesis we study the irreversibility of time series considering the statistical properties of their time-reversal, and we derive a fluctuation theorem that holds for time series of signal-response models, and that links irreversibility and conditional information towards past. Interacting systems continuously share information while influencing each other dynamics. Intuitively, the causal influence is the effect of those interactions observed in terms of information flow over time, but its quantitative definition is still under debate in the community. In particular, we adopt the scheme of partial information decomposition (PID), that was recently defined in the attempt to remove synergistic and redundant effects from information-theoretic measures. Here we propose our PID, and motivate the resulting definition of causal influence for the special case of linear signal-response models. The thermodynamic role of causal influences can only be discussed for time series of linear signal-response models in the continuous limit, and its generalization to general time series remains in our opinion the open problem in information thermodynamics.

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.