Über den Autor... 7 Einleitung Teil I: Grundlegendes... 27

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1 Auf einen Blick Über den Autor... 7 Einleitung Teil I: Grundlegendes Kapitel 1: Bausteine der Thermodynamik Kapitel 2: Wärmekapazitäten Kapitel 3: Ideale Gase Teil II: Fluide, die in Bewegung sind Kapitel 4: Mischungen idealer Gase Kapitel 5: Kompressibilität der Fluide Kapitel 6: Aerostatik und Auftrieb Kapitel 7: Erhaltung der Masse Teil III: Energiebilanzen mit realen und idealen Gasen Kapitel 8: Reale Gase Kapitel 9: Einstieg in die höhere Thermodynamik Kapitel 10: Erster Hauptsatz für offene Systeme Kapitel 11: Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme Kapitel 12: Entropie und der zweite Hauptsatz Teil IV: Zustandsänderungen der Stoffe Kapitel 13: Derjoule-Thomson-Effekt Kapitel 14: Zustandsänderungen idealer Gase Teil V: Kreisprozesse mit Gasen und Wasserdampf Kapitel 15: Thermodynamische Kreisprozesse Kapitel 16: Wasser und Wasserdampf Kapitel 17: Fundamentalgleichungen und die Maxwell-Beziehungen Teil VI: Top-Ten-Teil Kapitel 18: Zehn 3-D-Darstellungen von Kreisprozessen Anhang Lösungen und Lösungswege Stichwortverzeichnis

2 Inhaltsverzeichnis Über den Autor... 7 Danksagung... 7 Einleitung Über dieses Buch Konventionen in diesem Buch Törichte Annahmen über die Leser Wie dieses Buch aufgebaut ist Teil 1: Grundlegendes (Kapitel 1,2,3) Teil 2: Fluide, die in Bewegung sind (Kapitel 4, 5,6,7 ) Teil 3: Energiebilanzen mit realen und idealen Gasen (Kapitel 8, 9,10,11,12) Teil 4: Zustandsänderungen der Stoffe (Kapitel 13 und 14) Teil 5: Kreisprozesse mit Gasen und Wasserdampf (Kapitel 15,16,17) Top-Ten-Teil (Kapitel 18) Lösungen zu den Übungsaufgaben Symbole, die in diesem Buch verwendet werden Wie es weitergeht TEIL I GRUNDLEGENDES Kapitel 1 Bausteine der Thermodynamik Atome und Moleküle Temperatur S und absolute Temperatur T Volumenausdehnungskoeffizienten der Stoffe Der Druck in Flüssigkeiten und Gasen Hydrostatischer Druck in einer Flüssigkeit Den Druck eines Gases mit einem Schrägrohrmanometer messen Norm- und Standardzustand eines Gases Normzustand eines Gases Standardzustand eines Gases Die Stoffmenge einer Substanz Das Molvolumen SI-Einheiten Umrechnungstafel der abgeleiteten Einheiten Kohärente und inkohärente Einheiten Übungsaufgaben Aufgabe 1.1: Einheiten umrechnen Aufgabe 1.2: Die Stoffmenge in einem Kilogramm Wasser berechnen... 47

3 Aufgabe 1.3: An einem schrägen U-Rohrschenkel die Ablesegenauigkeit erhöhen Aufgabe 1.4: Eine einfache Druckerhöhung bewerkstelligen Aufgabe 1.5: Den Druckabfall in einer Wasserleitung berechnen Kapitel 2 Wärmekapazitäten Wärmekapazitäten der Gase Mittlere spezifische Wärmekapazitäten Tabellierte mittlere Wärmekapazitäten Wärmekapazitäten der Flüssigkeiten und Festkörper Übersicht: Wärmekapazitäten der Stoffe Experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität cp Übungsaufgaben Aufgabe 2.1: Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen Aufgabe 2.2: Warmwasser bereitstellen Aufgabe 2.3: Die Wärmekapazität einer Sodalösung berechnen Kapitel 3 Ideale Gase Eigenschaften eines idealen Gases Die Grundform der idealen Gasgleichung Historische Entwicklung der idealen Gasgleichungen Ideale Gasgleichungen (Thermische Zustandsgleichungen) Übungsaufgaben Aufgabe 3.1: Das Molvolumen aus der Dichte eines Gases berechnen Aufgabe 3.2: Molmasse eines H-Atoms bestimmen Aufgabe 3.3: Stoffmenge eines Salzkristalls Aufgabe 3.4: Massenstrom berechnen Aufgabe 3.5: Luftfederung Aufgabe 3.6: Druckausgleich bei verschiedenen Gasen Aufgabe 3.7: Einen Gasbehälter auf Dichtheit prüfen Aufgabe 3.8: Ein Kilogramm Gas im Normzustand einschließen Aufgabe 3.9: Ein dreistufiger Verdichtungsprozess Aufgabe 3.10: Eine luftgefüllte Stahlflasche kühlt sich a b Aufgabe 3.11: Sauerstoff in Flaschen um füllen Aufgabe 3.12: Dauerbelastung eines pneumatischen Stoßdämpfers Aufgabe 3.13: Masse und Stoffmenge Aufgabe 3.14: Norm- und Standardzustand Aufgabe 3.15: Außergewöhnlicher Verdichtungsprozess Aufgabe 3.16: Masse und Dichte einer Stoffmenge Aufgabe 3.17: Zum 1. Gesetz von Gay-Lussac (Gesetz von Charles) Aufgabe 3.18: Relative Zustandsgrößen berechnen... 86

4 TEIL II FLUIDE, DIE IN BEWEGUNG SIND Kapitel 4 Mischungen idealer Gase Die Konzentration einer Substanz in einer Mischung Massenkonzentration Stoffkonzentration Volumenkonzentration Zusammenhang zwischen Massen- und Stoffkonzentration Gesetz von Dalton Spezielle Gaskonstante einer Mischung Die Dichte einer Gasmischung Spezifische Wärmekapazitäten einer Mischung Intensive und extensive Zustandsgrößen Innere Energie einer Mischung aus idealen Gasen Enthalpie einer Mischung aus idealen Gasen Mischungstemperatur Entropieänderung einer Mischung aus idealen Gasen Übungsaufgaben Aufgabe 4.1: Partialdrücke und Temperatur einer Gasmischung Aufgabe 4.2: Eine Massenkonzentration in Volumenanteile umrechnen Aufgabe 4.3: Die Dichte einer 0 2-N2-Gasmischung berechnen Aufgabe 4.4: Gaslieferung an ein Zementwerk Aufgabe 4.5: Partialdrücke und Mischtemperatur Aufgabe 4.6: Brennwert einer Gasmischung Aufgabe 4.7: Mischung aus gegebenen Volumenkonzentrationen Aufgabe 4.8: Mittlere Molmasse einer Gasmischung Aufgabe 4.9: Eine Gasmischung für Schutzgasschweißungen Aufgabe 4.10: Kaltes und heißes Wasser mischen Aufgabe 4.11: Mittlere Molmasse einer Mischung Aufgabe 4.12: Dichte und Gesamtmasse einer Mischung Aufgabe 4.13: Die Wärmekapazität in einem Experiment bestimmen Kapitel 5 Kompressibilität der Fluide Das Hooke'sche Gesetz der Festkörper Das Hooke'sche Gesetz der Flüssigkeiten und Gase Übungsaufgaben Aufgabe 5.1: Kompressionsmodul und örtlicher Gasdruck Aufgabe 5.2: Dichteänderung der Luft in einer isothermen Atmosphäre Aufgabe 5.3: Kompressionsmodul einer Ölmenge bestimmen Aufgabe 5.4: Dichteänderung versus Kompressionsmodul

5 Kapitel 6 Aerostatik und Auftrieb Die Standardatmosphäre Isotherme Atmosphäre (barometrische Höhenformel) Auftriebskräfte in Fluiden Auftrieb in Flüssigkeiten Schwimmen, Schweben, Sinken und Aufsteigen Thermischer Auftrieb in Fluiden Übungsaufgaben Aufgabe 6.1: Wie hoch steigt ein Ballon? Aufgabe 6.2: Luftdruck am Berggipfel Aufgabe 6.3: Auftrieb in der Atmosphäre Aufgabe 6.4: Luftdruck am Boden eines Erdschachts Aufgabe 6.5: Auftriebsfehler bei präzisen Wägungen in der Luft Aufgabe 6.6: Zeppeline können auch Lasten tragen Aufgabe 6.7: Wie tief taucht ein Körper in eine Flüssigkeit beim Schwimmen ein? Aufgabe 6.8: Der Auftriebszug im Schornstein Aufgabe 6.9: Archimedes und Gold Aufgabe 6.10: Öchslegrad Kapitel 7 Erhaltung der Masse Eindimensionale Kontinuitätsgleichung für Flüssigkeiten... Eindimensionale Kontinuitätsgleichung für Gase Kontinuitätsgleichung in 3-D-Strömungsfeldern... Was ist ein Vektorfeld?... Die allgemeine Kontinuitätsgleichung für Gase als Feldgleichung... Kontinuitätsgleichung für flüssige 3-D-Strömungsfelder... Übungsaufgaben... Aufgabe 7.1: Divergenz eines zweidimensionalen Vektorfelds... Aufgabe 7.2: Ein allgemeines Vektorfeld eines Gases... Aufgabe 7.3: Eindimensionale Kontinuitätsgleichung... Aufgabe 7.4: Ein rechteckiger Luftkanal... Aufgabe 7.5: Ist das Feld einer Grenzschichtströmung inkompressibel?. Aufgabe 7.6: Zwei Gasströme werden gemischt... Aufgabe 7.7: Ein Geschwindigkeitsfeld auf Inkompressibilität prüfen... Aufgabe 7.8: Wie schnell steigt der Wasserspiegel in einem Gefäß?... Aufgabe 7.9: Strömungsverzweigung in einer Arterie... Aufgabe 7.10: Wasserstandsänderung in einem Tank... Aufgabe 7.11: Beschleunigte Hochdruckströmung eines heißen Gases. Aufgabe 7.12: Volumenstrom eines Gases aus einer Erdgasquelle... Aufgabe 7.13: Wie schnell lässt sich ein Schwimmbecken füllen?... Aufgabe 7.14: In welcher Zeit wird ein Trichter mit Wasser gefüllt?

6 TEIL III ENERGIEBILANZEN MIT REALEN UND IDEALEN GASEN Kapitel 8 Reale Gase Eigenschaften realer Gase Van-der-Waals-Gase und ihre Zustandsgleichungen Beschreibung realer Gase mit der Realgasgleichung Übungsaufgaben Aufgabe 8.1: Vergleichsrechnung zwischen realem und idealem Gas Aufgabe 8.2: Den Druck in einem Behälter bestimmen Aufgabe 8.3: Den Stoffstrom durch eine Gasleitung berechnen Aufgabe 8.4: Wirkliche Dichteänderung eines strömenden Gases Kapitel 9 Einstieg in die höhere Thermodynamik Totale Differenziale Das Differenzial einer Funktion Funktionen mit mehreren Veränderlichen Implizite Funktionen und ihre Ableitungen Implizite Funktionen ableiten Allgemeine Eigenschaften impliziter Zustandsgleichungen Übungsaufgaben Aufgabe 9.1: Druckänderung eines idealen Gases infolge einer Temperaturund Volumenänderung Aufgabe 9.2: Volumenänderung eines Van-der-Waals-Gases infolge einer Temperaturänderung Aufgabe 9.3: Messfehler mit totalen Differenzialen abschätzen Aufgabe 9.4: Die Änderung der inneren Energie eines Van-der-Waals-Gases infolge einer Verdichtung des Gases Aufgabe 9.5: Die spezifische innere Energieänderung eines idealen Gases bestimmen Kapitel 10 Erster Hauptsatz für offene Systeme Thermodynamische Systeme Die Systemgrenze umgibt das System Allgemeine Erklärung der reversiblen Prozesse Innere Energie Mikroskopische Beschreibung der inneren Energie eines idealen Gases Makroskopische Beschreibung der inneren Energie eines realen Gases Der erste Hauptsatz für offene Systeme Spezifische Energien form ulieren Mathematische Formulierung der Energiebilanz Die integrale Form des ersten Hauptsatzes für offene Systeme Spezifische Enthalpie eines idealen Gases

7 Technische Arbeit Der erste Hauptsatz für offene Systeme als Leistungsbilanz Übungsaufgaben Aufgabe 10.1: Industrieller Lufterhitzer Aufgabe 10.2: Wasserturbine Aufgabe 10.3: Die Reibungsarbeit in einer Strömung erm itteln Aufgabe 10.4: Die Leistung einer Wasserpumpe berechnen K apiteln Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme Die Energiebilanz für geschlossene Systeme Integrale Form des ersten Hauptsatzes Leistungsbilanz im geschlossenen System Thermodynamische Arbeit Reversible Wärme Reversible adiabate Prozesse idealer Gase Die Arbeit eines adiabatischen Prozesses Übungsaufgaben Aufgabe 11.1: Isobare Expansion eines idealen Gases Aufgabe 11.2: Mischungstemperatur und Gleichgewichtsdruck einer Gasmischung Aufgabe 11.3: Nutzungsgrad eines Prozesses Aufgabe 11.4: Kaltes und heißes Wasser mischen Aufgabe 11.5: Adiabate Expansion eines idealen Gases Kapitel 12 Entropie und der zweite Hauptsatz Molekularstatistische Interpretation der Entropie Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit Stirlings Näherungsformel Gleichgewichtszustand und Maximum der Entropie Die Entropie als Zustandsfunktion Die Entropie eines idealen Gases Entropieänderung reiner Stoffe infolge von Zustandsänderungen Entropieänderungen bei irreversiblen Vorgängen Die Gesamtentropie eines Gesamtsystems (Universums) Temperaturausgleich zwischen zwei Teilsystemen Übungsaufgaben Aufgabe 12.1: Entropieproduktion eines expandierenden idealen Gases Aufgabe 12.2: Ist die reversible Wärme Sqrev(T, v) eine Zustandsgröße? Aufgabe 12.3: Ist die Entropie ds eine Zustandsfunktion? Aufgabe 12.4: Ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verletzt? Aufgabe 12.5: Den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik anwenden

8 Aufgabe 12.6: Wärmeleitung durch eine W and Aufgabe 12.7: Entropieproduktion beim Wärmedurchgang durch eine Wand Aufgabe 12.8: Erfüllt der Betrieb eines Axialkompressors den zweiten Hauptsatz? Aufgabe 12.9: Die Entropieänderung bestimmt die Strömungsrichtung Aufgabe 12.10: Eine Flüssigkeit mit einem Quirl erwärmen TEIL IV ZUSTANDSÄNDERUNGEN DER STOFFE Kapitel 13 Der Joule-Thomson-Effekt Das Experiment Derjoule-Thomson-Koeffizient Übungsaufgaben Aufgabe 13.1: Aus einer Druckflasche entweicht Sauerstoff Aufgabe 13.2: Isenthalpe Expansion eines Gases bei hohem Druck Kapitel 14 Zustandsänderungen idealer Gase Wichtige thermodynamische Prozesse idealer Gase Isotherme Zustandsänderung d7 = Isobare Zustandsänderung dp = Isochore Zustandsänderung dv = Isentrope Zustandsänderung ds = Polytrope Zustandsänderung Übungsaufgaben Aufgabe 14.1: Entropieänderung einer polytropen Zustandsänderung Aufgabe 14.2: Übertragung der Prozessfunktionen ds - 0 und dv - 0 aus dem p-v-diagramm in das 7-s-Diagramm Aufgabe 14.3: Sind Änderungen der inneren Energie wegunabhängig? TEIL V KREISPROZESSE MIT GASEN UND WASSERDAMPF Kapitel 15 Thermodynamische Kreisprozesse Wie werden Kreisprozesse thermodynamisch beschrieben? Ein rechtsläufiger Kreisprozess Ein linksläufiger Kreisprozess Der erste Hauptsatz für reversible Kreisprozesse Berechnungsansätze für Kreisprozesse Rechtsläufige Kreisprozesse

9 Der Carnot-Kreisprozess Linksläufige Kreisprozesse Übungsaufgaben Aufgabe 15.1: Ein rechtsläufiger Carnot-Kreisprozess Aufgabe 15.2: Maximale reversible Arbeit zwischen zwei Temperaturen Aufgabe 15.3: Wahr oder falsch: Zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine. 325 Aufgabe 15.4: Ein theoretischer Kreisprozess zum Üben Kapitel 16 Wasser und Wasserdampf Grundbegriffe der Kraftwerkstechnik D-Zustandsdiagramm für Wasser und Wasserdampf Zweidimensionale Phasendiagramme Das p-v-diagramm des reinen Wassers Das p-8-diagramm Das fl-s-diagramm für H Das h-s-diagramm für H Die Wasserdampftafeln Die Temperaturtafel (Tafel I) Die Drucktafel (Tafel II) Wasser und überhitzter Dampf (Tafel III) Übungsaufgaben Aufgabe 16.1: Zum Betrieb eines Überhitzers und einer Dampfturbine Aufgabe 16.2: Wirkungsgrad eines Erwärmungsvorgangs Aufgabe 16.3: Wasser isobar erhitzen Aufgabe 16.4: Wie funktioniert ein Geysir? Kapitel 17 Fundamentalgleichungen und die Maxwell-Beziehungen Herleitung der Fundamentalgleichung Maxwell-Beziehungen Übungsaufgaben Aufgabe 17.1: Isobarer Ausdehnungskoeffizient eines Van-der-Waals-Gases Aufgabe 17.2: Zahlenbeispiel zum Ausdehnungskoeffizienten der Luft TEIL VI TOP-TEN-TEIL Kapitel 18 Zehn 3-D-Darstellungen von Kreisprozessen Mit fünf Prozessfunktionen lassen sich die wichtigsten Kreisprozesse beschreiben Der Otto-Kreisprozess in 3-D-Darstellung Diesel-Kreisprozess

10 Seilinger-Kreisprozess Der Carnot-Kreisprozess im p-v-t-diagramm Der Carnot-Kreisprozess im 7-s-p-Diagramm Der Joule-Kreisprozess (offener Gasturbinenprozess) Ericson-Kreisprozess (geschlossener Gasturbinenprozess) Der Stirling-Kreisprozess Der Clausius-Rankine-Kreisprozess Anhang Lösungen und Lösungswege Stichwortverzeichnis