Thermodynamik. Springer. Peter Stephan Karlheinz Schaber Karl Stephan Franz Mayinger. Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme

Transkript

1 Peter Stephan Karlheinz Schaber Karl Stephan Franz Mayinger Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme 16., vollständig neu bearbeitete Auflage Mit 195 Abbildungen und 43 Tabellen Springer

2 Inhaltsverzeichnis Liste der Formelzeichen XIII 1. Gegenstand und Grundbegriffe der Thermodynamik Gegenstand der Thermodynamik I 1.2 Thermodynamische Systeme Die Koordinaten und der Zustand eines Systems Zustandsgrößen und Systemeigenschaften Maßsysteme und Einheiten. Größengleichungen Das Internationale Einheitensystem Andere Einheitensysteme Größengleichungen Das thermodynamische Gleichgewicht und die empirische Temperatur Das thermodynamische Gleichgewicht Der nullte Hauptsatz und die empirische Temperatur Die internationale Temperaturskala Praktische Temperaturmessung Flüssigkeitsthermometer Widerstandsthermometer Thermoelemente Strahlungsthermometer Die thermische Zustandsgleichung Das totale Differential der thermischen Zustandsgleichung Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases Die Einheit Stoffmenge und die universelle Gaskonstante Energieformen Systemenergie Mechanische Energie Innere Energie und ihre kinetische Deutung 43

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4.2 Arbeit Mechanische Arbeit Volumenänderungsarbeit und Nutzarbeit Wellenarbeit Elektrische Arbeit Weitere Arbeitsformen Verallgemeinerung des Begriffes Arbeit und die dissipierte Arbeit Wärme An Materietransport gebundene Energie und die Zustandsgröße Enthalpie Methode der Bilanzierung und der erste Hauptsatz der Thermodynamik Die allgemeine Struktur einer Bilanzgleichung Formulierung des ersten Hauptsatzes und die technische Arbeit Der erste Hauptsatz für geschlossenen Systeme Messung und Eigenschaften von innerer Energie und Wärme Die Massenbilanz für offene Systeme Der erste Hauptsatz für offene Systeme Technische Arbeit in stationär durchströmten Kontrollräumen Die kalorischen Zustandsgieichungen und die spezifischen Wärmekapazitäten Die spezifischen Wärmekapazitäten der idealen Gase Die mittleren spezifischen Wärmekapazitäten der idealen Gase Die kalorischen Zustandsgieichungen inkompressibler Stoffe Anwendungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Zustandsänderungen idealer Gase Zustandsänderungen bei konstantem Volumen oder Isochore Zustandsänderung bei konstantem Druck oder Isobare Zustandsänderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme Dissipationsfreie adiabate Zustandsänderungen Polytrope Zustandsänderungen Kreisprozesse Wasserkraftwerke Stoffstrommischung Wärmeübertrager Verdichten und Entspannen idealer Gase Stömungen durch Kanäle mit Querschnittsänderungen Drosselvorgänge 128

4 Inhaltsverzeichnis IX 7.9 Überströmvorgänge Das Prinzip der Irreversibilität und die Zustandsgröße Entropie Das Prinzip der Irreversibilität Entropie und absolute Temperatur Die Entropie als vollständiges Differential und die absolute Temperatur als integrierender Nenner Mathematische Grundlagen zum integrierenden Nenner Einführung des Entropiebegriffes und der absoluten Temperaturskala mit Hilfe des integrierenden Nenners Statistische Deutung der Entropie Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit eines Zustandes Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit Die endliche Größe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit, Quantentheorie, Nernstsches Wärmetheorem Gibbssche Fundamentalgleichungen Zustandsgieichungen für die Entropie und Entropiediagramme Die Entropie idealer Gase und anderer Stoffe Die Entropiediagramme Entropiebilanz und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Austauschprozesse und das thermodynamische Gleichgewicht Entropiebilanz und allgemeine Formulierung des zweiten Hauptsatzes Der zweite Hauptsatz für geschlossene Systeme Zusammenhang zwischen Entropie und Wärme Zustandsänderungen geschlossener adiabater Systeme Isentrope Zustandsänderungen Der zweite Hauptsatz für offene Systeme Entropiebilanz und Kreisprozesse Anwendung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik Reibungsbehaftete Prozesse Wärmeleitung unter Temperaturgefälle Drosselung Mischung und Diffusion Isentrope Strömung eines idealen Gases durch Düsen Energieumwandlungen und Exergie Einfluss der Umgebung auf Energieumwandlungen Die Exergie eines geschlossenen Systems Die Exergie eines Stoffstroms 216

5 X Inhaltsverzeichnis 11.4 Die Exergie einer Wärme Die Exergie bei der Mischung zweier idealer Gase Exergieverlust und Exergiebilanz Beziehungen zwischen kalorischen und thermischen Zustandsgrößen Darstellung der thermodynamischen Eigenschaften durch Zustandsgieichungen Innere Energie und Enthalpie als Funktion der thermischen Zustandsgrößen Die Entropie als Funktion der thermischen Zustandsgrößen Die spezifischen Wärmekapazitäten Thermodynamische Eigenschaften der Materie Thermische Zustandsgrößen und p,v,t-diagramme Kalorische Zustandsgrößen. Enthalpie- und Entropiediagramme Kalorische Zustandsgrößen von Dämpfen Tabellen und Diagramme der kalorischen Zustandsgrößen Die Gleichung von Clausius und Clapeyron Spezifische Wärmekapazität und Entropie fester Körper Das Gefrieren von Wasser Kristalline Festkörper Zustandsgieichungen für reale Fluide Reale Gase Die van-der-waalssche Zustandsgieichung Das erweiterte Korrespondenzprinzip Zustandsgieichungen für den praktischen Gebrauch und Stoffdaten Zustandsgieichungen des Wasserdampfes Zustandsänderungen realer Fluide Die adiabate Drosselung realer Gase Zustandsänderungen im Nassdampfgebiet Thermodynamische Prozesse, Maschinen und Anlagen Thermodynamische Modelle von Anlagenkomponenten Pumpen Verdichter, Kompressoren und Ventilatoren Turbinen Verdampfer und Kondensatoren Rechtsläufige und linksläufige Kreisprozesse. Wärmekraftmaschinen, Kältemaschinen und Wärmepumpen Der rechtsläufige Carnotsche Kreisprozess und seine Anwendung auf das ideale Gas 305

6 Inhaltsverzeichnis XI 14.4 Der linksläufige Carnotsche Kreisprozess Die Heißluftmaschine und die Gasturbine Der Stirling-Motor Die Stirling-Kältemaschine Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung. Otto- und Diesel-Motor Der Otto-Prozess Der Diesel-Prozess Der gemischte Vergleichsprozess Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Vergleichsprozess; Wirkungsgrade Die Dampfkraftanlage Der Clausius-Rankine-Prozess Verluste beim Clausius-Rankine-Prozess und Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades Kombinierte Gas-Dampf-Prozesse Kraft-Wärme-Kopplung Der linksläufige Clausius-Rankine-Prozess Die Kaltdampfmaschine als Kältemaschine Die Kaltdampfmaschine als Wärmepumpe Die Grundbegriffe der Wärmeübertragung Allgemeines Stationäre Wärmeleitung Wärmeübergang und Wärmedurchgang Nichtstationäre Wärmeleitung Grundlagen der Wärmeübertragung durch Konvektion Dimensionslose Kenngrößen und Beschreibung des Wärmetransportes in einfachen Strömungsfeldern Spezielle Probleme der Wärmeübertragung ohne Phasenumwandlung Wärmeübertragung beim Sieden und Kondensieren Wärmeübergang beim Sieden Wärmeübergang beim Kondensieren Wärmeübertrager - Gleichstrom, Gegenstrom, Kreuzstrom Gleichstrom Gegenstrom Kreuzstrom Die Wärmeübertragung durch Strahlung Grundbegriffe, Emission, Absorption, das Gesetz von Kirchhoff Die Strahlung des schwarzen Körpers 415

7 XII Inhaltsverzeichnis Die Strahlung technischer Oberflächen. Der graue Körper Der Strahlungsaustausch 421 Anhang A: Dampftabellen Anhang B: Lösungen der Übungsaufgaben Anhang C: Glossar Sachverzeichnis