Wärmelehre. Technische Physik Band 3. m ^LEHRMITTEL. BIBLIOTHEK DES TECHNIKERS tümt. von Horst Herr. 2. Auflage

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1 m ^LEHRMITTEL BIBLIOTHEK DES TECHNIKERS tümt Wärmelehre Technische Physik Band 3 von Horst Herr 2. Auflage VERLAG EURO PA-LEHR MITTEL Nourney, Vollmer GmbH & Co. Düsselberger Straße Haan-Gruiten Europa-Nr.: 50619

2 Inhaltsverzeichnis Seite Wärmezustand 1 bis 60 Lektion 1 Temperatur und Temperaturmessung Die Temperatur in der menschlichen Empfindung DieTemperatur als Zustandsgröße Die Einheit dertemperatur im internationalen Einheitensystem Basisgrößen und abgeleitete Größen Druck als Beispiel einer abgeleiteten Größe Die Temperaturskalen Die Celsius-Skala Der absolute Nullpunkt und die Kelvin-Skala Definition dertemperatureinheit Kelvin Messung dertemperatur Begriff des indirekten Messens Temperaturmeßverfahren, Thermometer Flüssigkeitsthermometer Bimetallthermometer Elektrisches Widerstandsthermometer Das Thermoelement Pyrometer Segerkegel Thermochromfarben DieThermographie 11 Lektion 2 Wärme als Energieform Der Aufbau der Materie Die atomaren und molekularen Kräfte Kohäsion und Adhäsion Aggregatzustand als Folge der Kohäsionskraft Die Aufbauformen der Stoffe Der kristalline Aufbau fester Stoffe Der amorphe Aufbau fester Stoffe Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe Wärme als Bewegungsenergie der Atome und Moleküle Energiearten und Energieumwandlungen Die Aufnahme und die Abgabe von Wärmeenergie Sensible und latente Wärmeenergie Der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme Die Einheit derwärmeenergie Wärmeenergie und absoluter Nullpunkt Die Änderung des Aggregatzustandes und Druckenergie 19 Lektion 3 Wärmeausdehnung fester und flüssiger Stoffe Wärmeausdehnung fester Körper Begründung der Wärmeausdehnung 20

3 3.1.2 Längenausdehnung fester Körper Der thermische Längenausdehnungskoeffizient Berechnung der Längenausdehnung infolge Temperaturdifferenz Volumenausdehung fester Körper Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten Wärmespannung 25 Lektion 4 Wärmeausdehnung von Gasen Die Zustandsgrößen der Gase Die Zustandsgrößen als absolute Größe Bedeutung der absoluten Temperatur in derthermodynamik Luftdruck und absoluter Druck Verhalten der Gase bei konstanter Temperatur Gesetz von Boyle-Mariotte Die Gasdichte bei konstanter Temperatur Verhalten der Gase bei veränderlichertemperatur Gesetz von Gay Lussac Temperaturänderung bei konstantem Druck und veränderlichem Volumen Temperaturänderung bei konstantem Volumen und veränderlichem Druck Das vereinigte Gasgesetz 37 Lektion 5 Allgemeine Zustandsgieichung der Gase Der Normzustand eines Gases Notwendigkeit eines definierten Gaszustandes Gasdichte Die Normdichte von Gasen Das spezifische Volumen Die Gasdichte in Abhängigkeit von Druck und Temperatur Spezifische Gaskonstante und allgemeine Zustandsgieichung der Gase Ideales und reales Gas 43 Lektion 6 Molare Zustände und Größen Massenbestimmung der Elementarteilchen Die atomare Masseneinheit Das Mol als Einheit für die Stoffmenge Relative Atommasse und relative Molekülmasse Das Gesetz von Avogadro Die molare Masse Das molare Normvolumen Die Avogadro-Konstante Die universelle Gaskonstante Berechnung der speziellen Gaskonstante aus der universellen Gaskonstante 52 VI Lektion 7 Mischung idealer Gase Gasgemische in technischer Praxis und Umwelt Die Zustandsgrößen der Mischung idealer Gase Die Anwendbarkeit der Gasgesetze Beschaffenheit und Verhalten von Gasmischungen 55

4 7.2.3 Das Gesetz von Dalton Die spezifische Gaskonstante einer Gasmischung Spezifisches Volumen und Dichte eines Gasgemisches Ermittlung des Partialdruckes eines Gasgemisches Partialdruck bei gegebenem Massenanteil und Gesamtdruck Partialdruck bei gegebenem Raumanteil und Gesamtdruck 58 Wärmemenge 61 bis 74 Lektion 8 Wärmekapazität fester und flüssiger Stoffe Die spezifische Wärmekapazität Wahre und mittlere spezifische Wärmekapazität Das Grundgesetz der Wärmelehre Übertragung von Wärmeenergie in Stoffsysteme 64 Lektion 9 Kalorimetrie Kalorimeter Mischungsregel Die Mischungstemperatur Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität 68 Lektion 10 Wärmequellen Natürliche Wärmequellen Künstliche Wärmequellen Reibungswärme Elektrische Wärmequellen Atomare Wärmequellen Reaktionswärme Brennwert und Heizwert 72 Änderung des Aggregatzustandes 75 bis 112 Lektion 11 Schmelzen und Erstarren Das Schmelzen chemisch einheitlicher Stoffe Die spezifische Schmelzwärme Besonderheiten beim Schmelzen und Erstarren Abhängigkeit des Schmelzpunktes vom Druck Volumenänderung beim Schmelzen und Erstarren Unterkühlung einer Schmelze Das Schmelzen von Stoffgemischen Schmelzen und Erstarren von Legierungen Kältemischungen Die Lösungswärme Lösungsdiagramme 79 VII

5 Eutektische Kältespeicher Kältemischungen unter Verwendung von Eis 80 Lektion 12 Verdampfen und Kondensieren; Sublimieren Verdampfungstemperatur und Verdampfungsdruck 83 Kondensation 84 Besonderheiten beim Verdampfen und Kondensieren 85 Verdunstung 85 Siedepunktserhöhung von Lösungen 85 Unterkühlter Dampf 86 Verdampfungs- und Kondensationswärme 86 Enthalpiezunahme beim Schmelzen und Verdampfen 87 Die Phasen vom festen Körper zum Heißdampf 89 Die Zustandsdiagramme 91 Dampfdefinition und kritischer Zustand 91 Das Temperatur, Enthalpie-Diagramm nach Mollier 92 Das Druck-, Enthalpie-Diagramm nach Mollier 93 Sublimation 93 Die Sublimationslinie im p, ^-Diagramm 94 Das Druck-, Volumen-Diagramm nach Mollier 95 Lektion 13 Feuchte Luft Feuchte Luft als Gasgemisch 99 Zustandsgrößen der feuchten Luft 99 Wasserdampf-Teildruck 99 Der Sättigungsdruck des Wasserdampfes 100 Der Taupunkt 100 Wassergehalt der Luft 101 Die absolute Luftfeuchtigkeit 101 Die relative Luftfeuchtigkeit 101 Der Wassergehalt feuchter Luft 103 Partialdrücke als Funktion von Wassergehalt und Gesamtdruck 104 Messung der Luftfeuchtigkeit 104 Hygrometer 104 Die Taupunktmethode 105 Die Absorptionsmethode 105 Psychrometer 106 Verdunstungspsychrometer 106 Sekunden-Psychrometer 107 Enthalpie, Wassergehalt-Diagramm [h, x-diagramm) feuchter Luft 108 Druckabhängigkeit der h, x-diagramme 110 Darstellung einiger Zustandsgrößen im h, x-diagramm 110 Erwärmung oder Abkühlung feuchter Luft bei veränderlichem q> 110 Erwärmung oder Abkühlung feuchter Luft bei q>= konstant 110 Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit und umgekehrt 113 bis 173 Lektion 14 Technische Möglichkeiten der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit Forderungen an die Energieumwandlung 113 VIII

6 Seite Technische Anlagen zur Energieumwandlung 113 Wärmekraftmaschinen 114 Kolbenmaschinen 114 Kolbendampfmaschine 114 Kolbenbrennkraftmaschinen 114 Strömungsmaschinen 116 Turbinen 116 Das Strahltriebwerk 116 Lektion Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 118 Äquivalenz von Wärmeenergie und mechanischer Arbeit 118 Darstellung der Volumenänderungsarbeit im p, (/-Diagramm 119 nnere Energie und Enthalpie 122 Fall 1: Völlige Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Arbeit. 123 Fall 2: Völlige Umwandlung der Wärmeenergie in innere Energie 123 Fall 3: Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Arbeit und innere Energie 123 Die spezifische Wärme von Gasen 124 Spezifische Gaskonstante R-, im Verhältnis von c p und c v 126 Die mittleren spezifischen Wärmekapazitäten von gasförmigen Stoffen. 127 Lektion ThermodynamischeZustandsänderungen 130 Reversible und irreversible Zustandsänderungen 130 Die Isobare 130 Die Isochore 133 Die Isotherme 134 Die Isentrope bzw. Adiabate 137 Die Polytrope 139 Zusammenhang zwischen Polytropenexponent und Zustandsänderung 139 Die Berechnung der polytropen Zustandsgrößen 140 Lektion 17 Die Kreisprozesse im p, V-Diagramm (Arbeitsdiagramm) und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Begriff des Kreisprozesses 142 Der Betrag der Nutzarbeit 143 Der zweite Hauptsatz derthermodynamik 144 Der thermische Wirkungsgrad 145 Die Kreisprozesse derwärmekraftmaschinen 146 Idealprozesse und Realprozesse 146 Die Vergleichsprozesse der Verbrennungskraftmaschinen 147 Der Diesel-Prozeß (Gleichdruckprozeß) 147 Der Otto-Prozeß (Gleichraumprozeß) 149 Der Seiliger-Prozeß 149 Der Joule-Prozeß 150 Der Ackeret-Keller-Prozeß (Ericsson-Prozeß) 150 Der Stirling-Prozeß 150 Der Carnot-Prozeß 151 Die thermischen Wirkungsgrade der Brennkraftmaschinen im Vergleich. 151 Die Vergleichsprozesse der Dampfkraftprozesse 153 Der Clausius-Rankine-Prozeß 153 IX

7 .2.2 Die ORC-Prozesse Die wirklichen Kraftmaschinenprozesse 154 Lektion 18 Die Kreisprozesse im T, s-diagramm (Wärmediagramm) Die Entropie als weitere Zustandsgröße der Thermodynamik 157 Dissipation von Energie 157 Definition der Entropie 157 Das T, s-diagramm (Wärmediagramm) 158 Die Zustandsänderungen im T, s-diagramm 159 Die Entropie und ihr Zusammenhang mit dem 2. Hauptsatz 160 Die Entropiezunahme bei der Wärmeleitung 161 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dämpfen 162 Wärmetransport entgegen dem Temperaturgefälle 162 Der linkslaufende Carnot-Prozeß 163 Die Leistungszahl des Kältemaschinenprozesses 164 Die Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses 165 Der ideale Kältemaschinenprozeß bzw. Wärmepumpenprozeß 165 Gegenüberstellung von rechts- und linkslaufendem Clausius-Rankine-Prozeß 166 Die Drosselung 168 Möglichkeiten der Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades bzw. der Leistungszahl 170 Exergie und Anergie der Wärme 170 Beziehungen der Wärmeenergie zur elektrischen Energie 174 bis 178 Lektion 19 Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie Der Seebeck-Effekt Die großtechnische Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie 174 Lektion Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie 175 Natürliche und technisch erzeugte elektrische Energien 175 Der Peltier-Effekt 175 Der elektrische Heizleiter 176 Elektrische Arbeit und elektrische Leistung 176 Das elektrische Wärmeäquivalent 176 Der Wirkungsgrad der elektrischen Heizung 177 Wärmeübertragung 179 bis 217 Lektion 21 Möglichkeiten einer Wärmeübertragung 179 Lektion 22 Wärmeleitung Technische Regeln für die Berechnung der Wärmeübertragung 180

8 Der stationäre Wärmestrom 181 Wärmeleitung durch eine ebene Wand 181 Das Ohmsche Gesetz der Wärmeleitung 184 Die Wärmestromdichte 185 Wärmeleitung durch eine mehrschichtige ebene Wand 185 Wärmeleitung durch gekrümmte Wände 187 Der Temperaturverlauf 187 Wärmeleitung durch zylindrische Wände 188 Einschichtige zylindrische Wand 188 Mehrschichtige zylindrische Wand 188 Lektion 23 Wärmeübergang Das Newtonsche Gesetz des Wärmeüberganges Der Wärmeübergangswiderstand Die Wärmeübergangszahl Einflußgrößen des Wärmeüberganges Bestimmung derwärmeübergangszahl Verwendung von angenäherten Erfahrungswerten von a Ermittlung des a-wertes im Versuch Berechnung des «-Wertes 194 Lektion Wärmedurchgang 198 Wärmedurchgang durch ebene Wände 198 Definition des Wärmedurchganges 198 Die Wärmedurchgangszahl und der Wärmedurchgangswiderstand Der Wärmedurchgangswiderstand 199 Verfahren zur Berechnung des Temperaturverlaufes in Wänden 200 Wärmedurchgang durch gekrümmte Wände 202 Lektion Wärmestrahlung 205 Mechanismus der Wärmeübertragung durch Strahlung 205 Emissions- und Absorptionsvermögen 206 Das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung 206 Das Prevostsche Gesetz der Wärmestrahlung 207 Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz der Wärmestrahlung 207 Wärmeübertragung durch Strahlung 208 Wärmeübergang durch Strahlung und Konvektion 210 Gasstrahlung 211 Lektion Wärmeaustauscher 213 Bauformen der Wärmeaustauscher 213 Rekuperatoren 213 Regeneratoren 213 Mischwärmeaustauscher 214 Berechnung der Wärmeübertragung in Rekuperatoren 214 Gleichstrom und Gegenstrom 214 Die mittlere Temperaturdifferenz bei Gleichstrom und Gegenstrom XI

9 Lösungsgänge zu den Übungsaufgaben 2i8bis244 Ergebnisse der Vertiefungsaufgaben 245 bis 256 Sachwortverzeichnis 257 bis 262 Griechisches Alphabet 263 DIN-Normen, Auswahl zu den Sachgebieten dieses Buches 263 XII