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1 Springer-Lehrbuch

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3 K. Lucas Thermodynamik Die Grundgesetze der Energieund Stoffumwandlungen Dritte, korrigierte und aktualisierte Auflage Mit 250 Abbildungen und 20 Tabellen Springer

4 Dr.-Ing. Klaus Lucas Professor fur Thermodynamik Lehrstuhl fur Technische Thermodynamik Rheinisch-Westfalische Technische Hochschule Aachen und Wissenschaftlicher Direktor Institut fur Energie- und Umwelttechnik, Duisburg Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Lucas, Klaus: Thennodynamik: die Grundgesetze der Energie- und Stoffumwandlungen/K. Lucas. - 3., korr. und aktualisierte Aufl. (Springer-Lehrbuch) ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk isturheberrechtlich geschotzt. Die dadurch begrundeten Rechte, insbesonderedie der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oderder Vervielfaltigung aufanderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nurauszugsweiser Verwertung, vorbeha!ten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzeifall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuuissig. Sie istgrunds!tzlich vergotungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Stralbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-VerlagBerlinHeidelberg 1995, 2000, 2001 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001 Die Wiedergabevon Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigtauch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten w!ren und dahervonjedennann benutzt werden dorften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr rur die Richtigkeit oder Aktualitat Obemehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls rur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils goltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Satzerstellung durch Autor GedrucktaufsaurefreiemPapier SPIN: /3020hu

5 Vorwort zur 3. Auflage Energie- und Stoffumwandlungen sind die grundlegenden Prozesse, auf denen unsere Zivilisation beruht. Sie laufen in vielfältigen technischen Strukturen ab, deren Größenbereich sich von kleinen Anlagen im Labormaßstab bis hin zu großtechnischen Standorten erstreckt. Einen ersten Einstieg in die Analyse solcher Prozesse vermittelt die Thermodynamik. Sie beschreibt die Umwandlungen auf der Grundlage von allgemeinen Bilanzgleichungen sowie speziellen Modellansätzen für das Verhalten der beteiligten Stoffe, unabhängig von den vielfältigen technischen Aspekten der zugehörigen Maschinen und Apparate. Der vorliegende, nunmehr in der dritten Auflage erscheinende Text betont die Rolle der Thermodynamik als systemanalytische Wissenschaft. Das erste Kapitel stellt die allgemeinen Erkenntnisse über Energie- und Stoffumwandlungen zusammen und erläutert die wesentlichen Abstraktionsschritte einer thermodynamischen Analyse. Im zweiten Kapitel werden die für die Anwendungen entscheidenden Eigenschaften fluider Materie zunächst phänomenologisch und darauf aufbauend durch Stoffmodelle beschrieben. In den folgenden drei Kapiteln erfolgt die allgemeine Formulierung der Bilanzen für Materie, Energie und Entropie und ihre Anwendung auf exemplarische Prozesse. Es wird dabei deutlich, dass die Lösung eines praktischen Problems zunächst die darauf zugeschnittene Aufstellung der Bilanzgleichungen und danach ihre Auswertung mit Hilfe spezieller Stoffmodelle erfordert. Insbesondere die Diskussion der Entropiebilanz in Verbindung mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik führt auf zwei Grenzfälle der thermodynamischen Analyse, den reversiblen Prozess für Energieumwandlungen und den Gleichgewichtsprozess für Sto:ffumwandlungen. Beide Grenzfälle erlauben eine einfache und doch praktisch aussagefähige Analyse energie- und stoffumwandelnder Prozesse und werden in jeweils eigenen Kapiteln an Hand technischer Beispiele ausführlich dargestellt. Das Buch schließt mit einem Kapitel über die energetische Bewertung und Optimierung ab, in dem der universelle thermodynamische Ansatz für vielfältig mögliche technische Prozessverbesserungen erläutert wird. In der nun vorgelegten dritten Auflage habe ich kleinere Änderungen und Ergänzungen vorgenommen sowie einige Druckfehler berichtigt. Sie wurden von Frau G. Kirova ausgeführt, wofür ich ihr herzlich dankbar bin. Möge das Buch auch weiterhin Studenten und Ingenieuren in der Praxis helfen, die Nützlichkeit der thermodynamischen Analyse zu erkennen und in praktische Problemlösungen umzusetzen. Aachen, im Sommer 2001 K. Lucas

6 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen XIII 1 Allgemeine Gnmdlagen Energie- und Stoffumwandlungen Energieumwandlungen Stoffumwandlungen Energie und Stoffumwandlungen in technischen Prozessen Allgemeine Schlussfolgerungen Die thermodynamische Analyse Das thermodynamische System Das System als fluide Phase Prozess und Zustandsänderung Fluide Phasen Die thermischen Zustandsgrößen Die Materiemenge Das Volumen Der Druck Die Temperatur Reinstoffe Der Gaszustand Verdampfung und Kondensation Das Nassdampfgebiet Kritischer Punkt und Tripelpunkt Schmelzen und Erstarren Das gesamte Zustandsgebiet Gemische VerdampfungundKondensation Verdunstung und Absorption Entmischung in flüssigen Gemischen Schmelzen und Erstarren in Gemischen Chemische Eigenschaften

7 VIll Inhaltsverzeichnis 2.4 Stoffmodelle fiir Reinstoffe Die Dampftafel Das ideale Gas Die ideale Flüssigkeit Stoffmodelle fiir Gemische Partielle Größen Gasgemische Gas/Dampf-Gemische Flüssige Gemische Die Materiemengenbilanz Materiemengenbilanz bei thermischen Stoffumwandlungen Umwandlungen reiner Stoffe Umwandlungen von Gemischen Materiemengenbilanz bei chemischen Stoffumwandlungen Vollständig ablaufende Reaktionen Unvollständig ablaufende Reaktionen Die Elementenbilanz Die Energiebilanz Die Erscheinungsformen der Energie Mechanische Energieformen Innere Energie und Enthalpie Die Energieform Wärme Die innere Energie und Enthalpie als Zustandsgrößen Reine Gase Reine Flüssigkeiten Reine Fluide im gesamten Zustandsgebiet Gasgemische Gas/Dampf-Gemische Flüssige Gemische Innere Energie und Enthalpie bei chemischen Zustandsänderungen Die Standardbildungsenthalpie DerHeizwert

8 Inhaltsverzeichnis IX 4.4 Energiebilanzgleichungen Geschlossene Systeme Stationäre Fließprozesse Kreisprozesse Instationäre Prozesse Das Energieflussbild Die Entropiebilanz Entropie Reversibilität und Dissipation Dissipation, Wärme und Entropie Entropieproduktion bei Wärme- und Albeitstransfer Entropiebilanz und 2. Hauptsatz Entropie und Ordnung Die Entropie als Zustandsgröße Die Fundamentalgleichung Die thermodynamische Temperatur Reine Gase Reine Flüssigkeiten Reine Stoffe im gesamten Zustandsgebiet Gasgemische Gas/Dampf-Gemische Flüssige Gemische Die Entropie bei chemischen Zustandsänderungen Die Reaktionsentropie Der Entropienullpunkt Entropie und Energiequalität Exergie und Anergie Die Exergie eines Stoffstromes Exergieverlust und Entropieproduktion Energieumwandlungen als reversible Prozesse Reversible Strömungsprozesse Reversibel-isotherme Albeitsprozesse Reversibel-adiabate Prozesse idealer Gase Reversibel-adiabate Prozesse realer Fluide

9 X Inhaltsverzeichnis 6.5 Die reversible Wärmekraftmaschine Das Dampfkraftwerk Die Gasturbine Das Strahltriebwerk Verbrennungsmotoren Die reversible Wärmepumpe Die Dampf-Wärmepumpe Die Gaskältemaschine Beriicksichtigung von Dissipation Isentrope Wirkungsgrade für Arbeitsprozesse Isentrope Wirkungsgrade für Strömungsprozesse Polytrope Wirkungsgrade Stoffumwandlungen als Gleichgewichtsprozesse Ausgleichsprozesse und Gleichgewicht Die Grundtypen der Ausgleichsprozesse Das chemische Potenzial Ausgleichsprozesse und Gleichgewicht in abgeschlossenen Systemen Ausgleichsprozesse und Gleichgewicht in technischen Anlagen Thermodynamische Gleichgewichte Das Verdampfungs- und Kondensationsgleichgewicht Das Verdunstungs- und Absorptionsgleichgewicht Das Reaktionsgleichgewicht Thermische Stoffiunwandlungen Wärmeübertragung Die Verdunstung Die Absorption Die Rektifikation Chemische Stoffiunwandlungen Der isotherme Reaktor Deradiabate Reaktor Reaktor mit Temperaturprofil

10 Inhaltsverzeichnis XI 8 Energetische Bewertung und Optimierung Energie- und Entropiebilanz Exergetische Bewertung Umwandlung von Primärenergie in Arbeit Der einfache Clausius-Rankine-Prozess Zwischenüberhitzung Regenerative Speisewasservorwärmung Kombination von Gasturbine und Dampfturbine Wärmebereitstellung Einfache Technologien Verbrennungsluftvorwärmung Kraft-Wärme-Kopplung Wärmepumpe Kombination aus Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmepumpe Wärmeintegration Der "Pinch" Summenkurve und Wärmekaskade Anhang A Stoffdaten Anhang B Wichtige Formeln Anhang C Einheiten Sachverzeichnis

11 Formelzeichen a) Lateinische Formelbuchstaben A a b BQ c CP, Cv cp, Cu E EQ_ Mv eh ll.ev F G g H H H; Ho Hu h Mf.O(g) Mr.o (I) Mr.o (aq) Fläche; freie Energie spez. oder molare freie Energie Aktivität der Komponente i Beschleunigung; spez. oder molare Anergie Anergie eines Wärmestroms Geschwindigkeit; spez. oder molare Wärmekapazität isobare bzw. isochore Wärmekapazität spez. oder molare isobare bzw. isochore Wärmekapazität Energieinhalt, Gesamtenergie eines Systems, Exergie Exergie eines Wärmestroms Exergieverluststrom spez. oder molare Exergie der Enthalpie spez. oder molarer Exergieverlust Kraft freie Enthalpie spez. oder molare freie Enthalpie; Fallbeschleunigung; gasförmig Enthalpie Enthalpiestrom Herny-Koeffizient der Komponente i spez. oder molarer Brennwert spez. oder molarer Heizwert spez. oder molare Enthalpie spez. oder molare Standardbildungsenthalpie im Gaszustand spez. oder molare Standardbildungsenthalpie im flüssigen Zustand spez. oder molare Standardbildungsenthalpie im Zustand der ideal verdünnten wässrigen Lösung spez. oder molare Verdampfungsenthalpie spez. oder molare Schmelzenthalpie Gleichgewichtskontante Boltzmann-Konstante; Wärmedurchgangskoeffizient; Kondensatmenge im Rauchgas bezogene Luftmenge; flüssig Molmasse Drehmoment

12 XIV Formelzeichen m Masse mi Molalität der Komponente i m Massenstrom N Teilchenzahl NA Avogadro-Konstante n Sto:ffinenge, Polytropenexponent nd Drehzahl omin spez. oder molare Mindestsauersto:ffinenge P Leistung p Druck Q Wärme Q Wärmestrom q spez. oder molare Wärme q Wärmestromdichte R allgemeine Gaskonstante r spez. oder molare Verdampfungsenthalpie S Entropie S Entropiestrom M irr Entropieproduktionsstrom s spez. oder molare Entropie!:Jjrr spez. oder molare Entropieerzeugung T thermodynamische Temperatur Tm thermodynamische Mitteltemperatur t Celsius-Temperatur U innere Energie u spez. oder molare innere Energie V Volumen V Volumenstrom v spez. oder molares Volumen; bezogene Abgasstoffmenge W Arbeit w spez. oder molare Arbeit w 1 spez. oder molare technische Arbeit w; Massenanteil der Komponente i x Dampfgehalt; Wasserbeladung feuchter Luft X; Stoffmengenanteil der Komponente i z Höhenkoordinate; Zustandsgröße b) Griechische Formelbuchstaben a Wärmeübergangskoeffizient; relative Flüchtigkeit ß Wärmeverhältnis; Stromausbeute

13 Formelzeichen XV Aktivitätskoeffizient der Komponente i Leistungszahl einer Wärmepumpe Leistungszahl einer Kältemaschine exergetischer Wirkungsgrad (energetischer) Wirkungsgrad Camot-Faktor thermischer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine isentroper Wirkungsgrad Temperatur des idealen Gasthermometers Isentropenexponent Luftverhältnis; Wärmeleitfähigkeit chemisches Potenzial der Komponente i Polytropenverhältnis stöchiometrischer Koeffizient der Komponente i Dichte Reaktionslaufzahl Zeit relative Feuchte Winkelgeschwindigkeit; Gesamtwirkungsgrad c) 0 1,2,3, A,B,ooo a ad B e f K k L Oi p s T t tr Indizes Bezugsstand Zustände 1, 2, Doppelindex: Prozessgröße eines Prozesses, der vom Zustand 1 in den Zustand 2 führt Systeme A, B, 000 Austrittsquerschnitt adiabat Brennstoff Eintrittsquerschnitt Phasenwert Komponente i in einem Gemisch, im Systeminneren Kessel, Kolben kritisch Luft reine Komponente i polytrop isentrop; Sättigung Taupunkt, Turbine technisch Tripelpunkt

14 XVI Formelzeichen u Umgebung V Verdichter; Verbrennungsgas; Volumenänderung W Welle d) Sufflees 0 Standardwert irr irreversibel rev reversibel siedender Zustand gesättigter Dampfzustand V Verbrennungsgas II if Ideale Flüssigkeit ig Ideales Gas il Ideale Lösung ivl ideal verdünnte Lösung l,l flüssig s fest g,g gasförmig