Grundlagen der Technischen Thermodynamik

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1 Grundlagen der Technischen Thermodynamik 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. von Prof. (em.) Dr.-Ing. NORBERT ELSNER Technische Universität Dresden 7., berichtigte Auflage unter Mitwirkung von Dr.-Ing. Peter BÖHMER Dr.-Ing. Jörg HUHN Dr. rer. nat. Stephanie RASMUS Dr.-Ing. Karin SCHULTE Mit 310 Abbildungen'und 2Q Tabellen, davon 4 als Beilage A K A D E M I E - V E R L A G B E R L I N

2 Inhaltsverzeichnis Teil A. Grundlagen der Energielehre.. ' 1 1. Zum Inhalt und Aufbau der Technischen Thermodynamik 3 2. Maßsysteme und Einheiten 4 8. Grundbegriffe der Thermodynamik Der Systembegriff in der Thermodynamik Der thermodynamische Zustand eines Systems Die Klassifikation und Eigenschaften der Zustandsgrößen H Die thermischen Zustandsgrößen Das spezifische Volumen, die Dichte und das molare Volumen Der Druck Die Temperatur Die thermische Zustandsgieichung Vorgänge in thermodynamischen Systemen Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Die Anwendung des ersten Hauptsatzes auf geschlossene Systeme Die mathematische Formulierung für den inneren Systemzustand Die Einführung der inneren Energie., Die Wärme als zusätzliche Prozeßgröße neben der Arbeit und ihre Definition Die Definition und Berechnung der Volumenänderungsarbeit Die Reibungsarbeit als weitereden inneren Systemzustand beeinflussende Energieform Die Energiebilanzgleichungen für den inneren Systemzustand Die mathematische Formulierung unter Berücksichtigung des äußeren Systemzustandes Die Anwendung des ersten Hauptsatzes auf offene Systeme Die Energiebilanz für nichtstationäre Prozesse in offenen Systemen Die Energiebilanz für stationäre Prozesse in offenen Systemen Die Berechnung der technischen Arbeit aus dem Zustandsverlauf Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz als ein Erfahrungsgesetz Die mathematische Formulierung des zweiten Hauptsatzes Das CARATHEODOEYsche Unerreichbarkeitsprinzip Die Holonomität der PFAFFschen Form du + p dv Die Definitionsgleichung der metrischen Entropie (für einfache Systeme) und die thermodynamische Temperatur Das Entropieverhalten (einfacher) geschlossener und offener Systeme Das Entropieverhalten (einfacher) geschlossener adiabater Systeme Das Entropieverhalten (einfacher) geschlossener nichtadiabater Systeme...; Das Entropieverhalten (einfacher) offener Systeme Das T,s- oder Wärmediagramm 90

3 X Inhaltsverzeichnis 5.4. Thermodynamische Prozesse aus der Sicht des ersten und zweiten Hauptsatzes Exergie und Anergie Die Definition der Pseudozustandsgröße Exergie und die Aufstellung der Exergiebilanzgleichung in allgemeiner Form Die Darstellung der Exergie des Stoffstromes im p,v-, T,s- und Ä,s-Diagramm Bewertungskriterien für stationäre Fließprozesse unter Verwendung der Exergie Die Untersuchung ausgewählter irreversibler Prozesse Die irreversible Kompression bzw. Expansion eines Stoff Stromes in einem offenen adiabaten System Der Drosselvorgang in einem adiabaten System Die isobare Mischung zweier stationärer Stoffströme in einem adiabaten System Die Wärmeübertragung von einem Heizmittel- an einen Kühlmittelstrom bei endlichem Temperaturunterschied über eine Heizfläche Thermische und kalorische Zustandseigenschaften reiner Stoffe und Gemische Einige wichtige Differentialgleichungen der Technischen Thermodynamik Die Zustandsgieichungen reiner Stoffe Das ideale Gas Die Gasgesetze von BOYLE-MARIOTTE und GAY-LUSSAC und ihre Vereinigung zur thermischen Zustandsgieichung des idealen Gases Das Gesetz von AVOGADRO und die allgemeine thermische Zustandsgieichung des idealen Gases Die kalorischen Zustandsgieichungen des idealen Gases Allgemeine Zusammenhänge Die innere Energie und Enthalpie des idealen Gases Die Entropie des idealen Gases Das T,s- oder Wärmediagramm für das ideale Gas Der reine reale Stoff Die thermische Zustandsgieichung Der isobare Verdampfungsvorgang Das Zweiphasensystem Flüssigkeit Dampf Der überhitzte Dampf ' Die Beschreibung des thermischen Zustandsverhaltens mit Hilfe realer Gasgleichungen Die kalorischen Zustandsgieichungen und -diagramme Das Zweiphasensystem Flüssigkeit Dampf Die Gleichung von CLATTSITJS und CLAPEYRON Der überhitzte Dampf Kalorische Zustandsdiagramme Die thermischen und kalorischen Zustandseigenschaften von Gemischen Das ideale Gasgemisch Zur Kennzeichnung von Gemischen Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gasgemisches Die kalorischen Zustandsgieichungen des idealen Gasgemisches Die feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches Die thermischen Zustandseigenschaften Die kalorischen Zustandseigenschaften Das MOLLIER-Ä,a;-Diagramm 214 X, 7. Die einfachen thermodynamischen Prozesse Stationäre thermodynamische Prozesse Prozesse mit speziellen quasistatischen Zustandsänderungen des idealen Gases und des reinen realen Stoffes Prozesse mit isochorer Zustandsänderung Prozesse mit isobarer Zustandsänderung Prozesse mit isothermer Zustandsänderung Prozesse mit isentroper Zustandsänderung 243

4 Inhaltsverzeichnis XI Verallgemeinerung der Berechnungsgleichungen für Zustands- und Prozeßgrößen bei innerlich reversiblen Vorgängen mit polytropen quasistatischen Zustandsänderungen des Arbeitsmittels ideales Gas" f/ Die Drosselung eines realen Fluidstromes in einer adiabaten Drosselstelle und der f( JoTJLE-THOMSON-Effekt Stationäre Prozesse mit quasistatischen Zustandsänderungen feuchter Luft Erwärmung und Abkühlung feuchter Luft in Wärmeübertragern Mischung zweier Ströme von feuchter Luft... : Befeuchtung mit (flüssigem) Wasser oder Wasserdampf Der Verdunstungsvorgang Die empirischen Grundgesetze Die Stoff- und Energiestrombilanzen Darstellung im MoLLiER-A,a;-Diagramm Das Psychrometerproblem Beispiele für instationäre thermodynamische Prozesse Der Auffüllvorgang 289 < Der Ausströmvorgang " Kreisprozesse Zur Bedeutung der Kreisprozesse Die Anwendung des ersten und zweiten Hauptsatzes auf Kreisprozesse Allgemeine Grundlagen Rechtsprozesse Linksprozesse Der CARNOT-Prozeß ein theoretischer Kreisprozeß Der CARNOT-Prozeß als Rechtsprozeß Der rechtsläufige CARNOT-Prozeß mit dem Arbeitsmittel ideales Gas Der rechtsläufige CARJTOT-Prozeß mit einem realen Fluid als Arbeitsmittel Der ÖARNOT-Prozeß als Linksprozeß Die. Vergleichsprozesse der Gasturbinenanlagen Der AcKERET-KELLER-Prozeß Der JouLE-Prozeß Der einfache JouLE-Prozeß Der Jor/LE-Prozeß mit Regeneration Der JouLE-Prozeß mit mehrstufiger Kompression und Expansion Die Vergleichsprozesse der Verbrennungsmotoren Der SEiMGER-Prozeß \ Der Ono-Prozeß als erster Grenzfall des SEILIGER-Prozesses Der DiESEL-Prozeß als zweiter Grenzfall des SEILIGER-Prozesses Die Vergleichsprozesse der Dampfkraftanlagen 350 ' Der einfache CLAUSitrs-RANKiNE-Prozeß 351 j, Der Sattdampfprozeß 351.!. " Der Heißdampfprozeß 355, Rechtsläufige Dampfkreisprozesse mit Regeneration 359 < / Rechtsläufige Dampfkreisprozesse mit Zwischenüberhitzung 368 f.' 8.7. Der Vergleichsprozeß der Kompressionskälteanlagen 380 ^-8.8. Die exergetische Bewertung von Kreisprozessen Rechtsprozesse Linksprozesse ; Technische Verbrennungsprozesse Die Verbrennungsreehnung für feste und flüssige Brennstoffe Der erforderliche Sauerstoff- und Luftbedarf Die Abgasmenge und -Zusammensetzung Die Verbrennungsrechnung für gasförmige Brennstoffe Die Energiebilanzen der Verbrennung, Brennwert und Heizwert Die Verbrennungstemperatur bei adiabat-isobarer Reaktion 419

5 XII Inhaltsverzeichnis 9.5. Die Bewertung technischer Verbrennungsprozesse nach dem zweiten Hauptsatz Die Exergie der Brennstoffe Der Exergieverlust und der exergetische Gütegrad bei adiabat-isobarer Verbrennung 427 Teil B. Grundlagen des Transportes der thermischen Energie Grundbegriffe des Transportes der thermischen Energie Wärmeleitung Das FoTTRiERsche Erfahrungsgesetz als Grundgesetz der Wärmeleitung Die For/RiERSche Differentialgleichung Die Differentialgleichung des Temperaturfeldes Die Grenzbedingungen Die stationäre Wärmeleitung ohne Wärmequellen Der eindimensionale Wärmefluß Der mehrdimensionale Wärmefluß Die instationäre Wärmeleitung Die analytische Lösung der ForaiERschen Differentialgleichung für den eindimensionalen Fall Die Separationsmethode Die Methode der Quellpunkte Die numerisch-graphische Lösung der FouRiERSchen Differentialgleichung für den eindimensionalen Fall nach BINDER-SCHMIDT Konvektion Der Mechanismus des konvektiven Wärmeüberganges Das Differentialgleichungssystem zur Beschreibung des Wärmeüberganges Die Ähnlichkeitstheorie des Wärmeüberganges Die geometrische und physikalische Ähnlichkeit Die Ermittlung der Ähnlichkeitskennzahlen aus dem System der Differentialgleichungen Die Voraussetzungen der Ähnlichkeitstheorie des Wärmeüberganges Berechnungsgleichungen für die freie und erzwungene Konvektion Die freie Konvektion Die erzwungene Konvektion Strömung längs einer ebenen Wand Strömung in Rohren Querströmung um einzelne Rohre und um Rohrbündel Der konvektive Wärmeübergang bei Änderung des Aggregatzustandes des Strömungsmediums Kondensation Verdampfung Strahlung Grundlagen Die Strahlung als Schwingungsvorgang Die Emission von Strahlung Die Ausbreitung der Strahlung Die Absorption von Strahlung Das KlRCHHOFFSche Gesetz Die Strahlung fester Oberflächen Die Emission des schwarzen Strahlers Das PLANCKsche Strahlungsgesetz Das STEFAN-BoLTZMASrireche Gesetz Das WiEjische Verschiebungsgesetz Das Strahlungsverhalten technischer Oberflächen Die elektrischen Leiter 538

6 Inhaltsverzeichnis XIII Die elektrischen Nichtleiter Der graue Strahler Die Gas- und Flammenstrahlung Die Strahlung der Gase Die Strahlung leuchtender Flammen Der Energietransport infolge Strahlung zwischen festen Körpern Parallele Wände Umschlossene Körper Beliebig zueinander liegende, sich nicht umschließende Flächen Wärmedurchgang Der Wärmedurchgang durch ebene und gekrümmte Wände Der Wärmedurchgang durch berippte Wände Wärmeübertrager Grundlegende Bemerkungen zur Berechnung der Wärmeübertrager (Rekuperatoren) l Die Systematik der Wärmeübertrager * Der Gültigkeitsbereich der Berechnungsgleichungen Die Berechnung des Parallelströmers Die Berechnung des Kreuzströmers Der Vergleich der verschiedenen Grnndschaltungen Gekoppelte Wärmeübertrager Näherungsbeziehungen zur Berechnung von Wärmeübertragern 599 Anhang Tabellen und Diagramme 605 Verzeichnis der wichtigsten im Lehrbuch verwendeten Symbole 631 Verzeichnis der wichtigsten verwendeten Indizes 634 Namenverzeichnis 635 Sachverzeichnis 637

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