Hans Dieter Baehr. Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen. Neunte Auflage

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1 Hans Dieter Baehr Thermodynamik Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen Neunte Auflage Mit 262 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 57 Beispielen JjjJ Springer

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen 1 Allgemeine Grundlagen Thermodynamik Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik i Was ist Thermodynamik? System und Zustand System und Systemgren/e Zustand und Zustandsgrößen Extensive, intensive, spezifische und molare Zustandsgrößen Fluide Phasen. Zustandsgieichungen Prozesse Prozeß und Zustandsänderung Reversible und irreversible Prozesse Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilität Quasistatische Zustandsändcrungcn und irreversible Prozesse Stationäre Prozesse Temperatur Thermisches Gleichgewicht und Temperatur Thermometer und empirische Temperatur Die Temperatur des idealen Gasthermometers Celsius-Temperatur, Internationale Praktische Temperalurskala Die thermische Zustandsgieichung ideater Gase 33 2 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Mechanische Energien Der 1. Hauptsatz. Innere Energie Die kalorische Zustandsglcichung der Fluide Die Energiebilanzgleichung.., Arbeit und Wärme Mechanische Arbeit und Leistung Volumenänderungsarbeit Wellenarbeit Elektrische Arbeit und Arbeit bei nichtfluiden Systemen Wärme und Wärmestrom Energicbilanzgieichungen Energiebilanzgleichungen für geschlossene Systeme ' Massenbilanz und Energiebilanz für einen Kontrollraum 63 XU1

3 r VIII Inhaltsverzeichnis Instationäre Prozesse offener Systeme 69 ""2.3.4 Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozessc Enthalpie 74.3 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik 7t J 3.1 Der 2. Hauptsatz für geschlossene Systeme Einführende Überlegungen Die Formulierung des 2. Hauptsatzes durch Entropie und thermodynamische Temperatur Adiabate Systeme Die Irreversibilität des Wärmeübergangs Stationäre Prozesse. Perpetuum mobile 2. Art Die Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit. Wärmekraftmaschine Die Entropie als Zustandsgröße Die Entropie reiner Stoffe Kanonische Zustandsgieichungen ' Die Messung thermodynamischer Temperaturen 1 ( > Entropie und Gibbs-Funktion einer Mischphase. Chemische Potentiale Ergänzungen "' u l Das 7>Diagramm Dissipationsenergie Die Entropiebilanzgleichung für einen Konlrollraum Die Entropicbilanzgleichung für stationäre Fließprozesse Die Anwendung des 2. Hauptsatzes auf Energieumwandlungcn: Exergie und Anergie Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie Der Einfluß der Umgebung auf die Energieumwandlungen Exergie und Anergie Exergie und Anergie der Wärme Exergie und Anergie eines stationär strömenden Fluids Die Berechnung von Exergie Verlusten Exergie-Anergie-Flußbikler. Exergetischc Wirkungsgrade Thermodynamische Eigenschaften reiner Fluide Die thermischen Zustandsgrößcn Die /),r,7'-fläche Das p,r-diagranim Die Zweiphasengebiete Die thermische Zustandsglcichung für Fluide Das Theorem der korrespondierenden Zustände. Generalisierte Zustandsgieichungen Das Naßdampfgebiel Nasser Dampf Dampfdruck und Siedetemperatur Die spezifischen Zustandsgrößen im Naßdampfgebiet Zustandsgieichungen, Tafeln und Diagramme Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie mit Hilfe der thermischen Zustandsgieichung 178

4 1 nha 1 tsverzeichn is TX Enthalpie und Entropie eines inkompressiblcn Fluids Tafeln der Zustandsgrößen Zustandsdiagramme Die Bestimmung isentroper Enthalpicdiffcrcnzcn Ideale Gase, Gas- und Gas-Dampf-Gemische Ideale Gase Thermische und kalorische Zustandsglcichung Die spezifische Wärmekapazität Entropie und isentrope Zuslandsänderungen idealer Gase Ideale Gasgemische Massen- und Molanteile. Partialdrücke Die Gibbs-Funktion des idealen Gasgemisches Thermische, kalorische und Entropie-Zustandsglcichung Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft Der Sättigungsdruck des Dampfes < Der Taupunkt Feuchte Luft Absolute und relative Feuchte Die Wasscrbeladung Das spez. Volumen feuchter Luft Die spez. Enthalpie feuchter Luft Das /i,_v-diagramm für feuchte Luft Stationäre Fliefiprozesse Technische Arbeit, Dissipationsenergie und die Zustandsänderung des strömenden Fluids Dissipationsenergie und technische Arbeit. Eindimensionale Theorie Statische Arbeit und statischer Wirkungsgrad Polytrope. Polytroper Wirkungsgrad Strömungsprozcssc Strömungsprozesse mit Wärmezufuhr Die Schallgeschwindigkeit Adiabate Strömungsprozesse Adiabate Düsen- und Diffusorströmung Querschnittsflächen und Massenstromdichte bei isentroper Düsenund Diffusorströmung Strömungszustand in einer LavaLDüse bei verändertem Gegendruck Wärmeübertrager Allgemeines Anwendung des 1. Hauptsatzes Die Temperaturen der beiden Fluidströme Der Excrgieverlast des Wärmeübertragers Mischungsprozessc Massen-, Energie-und Entropiebilanzen Isobar-isotherme Mischung idealer Gase Mischungsprozesse mit feuchter Luft 267

5 X Inhaltsverzeichnis 6.5 Arbeitsprozesse Adiabate Expansion in Turbinen Adiabate Verdichtung Dissipationsenergie, Arbeitsverlust und Exergieverlust bei der adiabaten Expansion und Kompression Nichtadiabatc Verdichtung Verbrennungsprozesse, Verbrennungskraftanlagen Allgemeines Mengenberechnung bei vollständiger Verbrennung Brennstoffe und Verbrennungsgleichungen Die Berechnung der Verbrennungsluftmenge Menge und Zusammensetzung des Verbrennungsgases Energetik der Verbrennungsprozesse Die Anwendung des 1. Hauptsatzes Heizwert und Brennwert Die Enthalpie des Verbrennungsgases und das h,(-diagramm Kesselwirkungsgrad und adiabate Verbrennungstemperalur Reaktions- und Bildungsenthalpien Die Anwendung des 2. Hauptsatzes auf Verbrennungsprozesse Die reversible chemische Reaktion Absolute Entropien. Ncrnstsches Wärmetheorem Die Brennstoffzelle Die Exergie der Brennstoffe Der Exergieverlust der adiabaten Verbrennung Verbrennung«kraftanlagen Leistungsbüanz und Wirkungsgrad Die einfache Gasturbinenanlage Die genauere Berechnung des Gasturbinenprozesses Die Gasturbine als Flugzeugantrieb Verbrennungsmotoren Wärmekraftanragen Die Umwandlung von Primärenergic in elektrische Energie Übersicht über die Umwandlungsverfahren Thermische Kraftwerke Kraftwerkswirkungsgrade Kreisprozesse für Wärmekraftmaschinen Dampfkraftwerke Die einfache Dampfkraftanlagc Zwischenüberhitzung Regenerative Speisewasservorwärmung Das moderne Dampfkraftwerk Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerke Kernkraftwerke 378

6 Inhaltsverzeichnis XI 9 Thermodynamik des Heizens und Kühlens 3X2 9.1 Heizen und Kühlen als thermodynamische Grundaufgaben Die Grundaufgabe der Heiztechnik und der Kältetechnik Gebäudeheizung. Wärmepumpe Die Kältemaschine Wärmetransformation Heizsysteme Heizzahl und cxergctischcr Wirkungsgrad Konventionelle Heizsysteme Wärmepumpen-Heizsysteme Heizkraftwerke Einige Verfahren zur Kälteerzeugung Die Kaltdampf-Kompressionskältemaschine Mehrstufige Kompressionskältemaschinen Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung Mengenmaße, Einheiten, Tabellen Mengenmaße Masse und Gewicht Teilchenzahl und Stoffmenge Das Normvolumen Einheiten Die Einheiten des Internationalen Einheitensystems Einheiten anderer Einheitensysteme. Umrechnungsfaktoren Tabellen 422 Literatur 434 Sachverzeichnis 445