Technische Thermodynamik

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1 Technische Thermodynamik Einführung und Anwendung von Erich Hahne 3., überarbeitete Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 15 Vorwort zur 2. Auflage 17 Formelzeichen 19 I Grundbegriffe Energie Thermodynamische Systeme Thermodynamischer Zustand Zustandsgrößen einfacher Systeme Intensive und extensive Zustandsgrößen Spezifische und molare Zustandsgrößen Thermische und kalorische Zustandsgrößen Zustandsgieichungen Festlegung des thermodynamischen Zustands Thermische Zustandsgieichung Kalorische Zustandsgieichungen Zustandsänderungen Quasistatische und nichtstatische Zustandsänderungen Reversible und irreversible Zustandsänderungen Thermodynamischer Prozeß und Kreisprozeß Temperatur Gesetzliche Festlegung Thermisches Gleichgewicht Nullter Hauptsatz Die Zustandsgröße Temperatur -d Temperaturskalen Thermometer 51

3 Inhaltsverzeichnis Flüssigkeitsthermometer Thermoelemente Widerstandsthermometer Strahlungsthermometer Thermodynamisches Gleichgewicht Wärme Arbeit Volumenarbeit Verschiebearbeit Mechanische Arbeit Technische Arbeit Dissipationsenergie Innere Energie, Gesamtenergie eines Systems Enthalpie Entropie Exergie, Anergie Idealisierungen Reversible Zustandsänderungen Ideales Gas Erfahrungssätze Diagramme Aufbau der Diagramme Darstellung bei reversiblen und irreversiblen Zustandsänderungen Volumenarbeit im p, u-diagramm Darstellung von Kreisprozessen im p, v-diagramm Mathematische Beziehungen Unterschied zwischen Zustandsgrößen und Prozeßgrößen Das vollständige Differential Integrierender Faktor 83 II Der 1. Hauptsatz 87 II. 1 Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit Innere Energie Mathematische Form des 1. Hauptsatzes für geschlossene Systeme Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse Formulierungen und Folgerungen Bewegtes geschlossenes System Enthalpie 96

4 Inhaltsverzeichnis II. 2 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme Stationäre Strömung; instationäre Strömung Technische Arbeit, Leistung Modell und Energiebilanz für das offene System Math. Form des 1. Hauptsatzes für offene Systeme Technische Arbeit im p, D-Diagramm 105 II. 3 Thermischer Wirkungsgrad und Leistungszahl Thermischer Wirkungsgrad von Wärmekraftprozessen Leistungszahl für Kälte- und Wärmepumpenprozesse 108 II. 4 Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität, molare Wärmekapazität Mittlere Wärmekapazität 111 II. 5 Zusammenstellung der mathematischen Formen des 1. Hauptsatzes Geschlossenes System Ruhendes geschlossenes System Bewegtes geschlossenes System Offenes System, stationäre Durchströmung Kreisprozeß 115 III Ideale Gase 119 III. 1 Thermische Zustandsgieichung idealer Gase 119 III. 2 Kalorische Zustandsgieichung idealer Gase 123 III. 3 Theoretische Bestimmung von Zustandsgrößen Kinetische Gastheorie Molare innere Energie und molare Wärmekapazität 127 III. 4 Entropie idealer Gase 129 III. 5 Das T, s-diagramm 130 III. 6 Kriterien und Beziehungen für das ideale Gas 133 III. 7 Einfache Zustandsänderungen idealer Gase Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Polytrope Zustandsänderung 143 III. 8 Zustandsänderungen bei instationären Vorgängen Füllen eines Behälters mit idealem Gas Ausströmen eines idealen Gases aus einem Behälter 149 III. 9 Der Carnot-Prozeß für ideale Gase Der rechtsgängige Prozeß: Wärmekraftprozeß Der linksgängige Prozeß: Kälteprozeß bzw. Wärmepumpenprozeß 156

5 8 Inhaltsverzeichnis IV Der 2. Hauptsatz 165 IV. 1 Formulierungen des 2. Hauptsatzes 165 IV. 2 Folgesätze des 2. Hauptsatzes Erster Folgesatz Zweiter und Dritter Folgesatz Vierter Folgesatz Fünfter Folgesatz Sechster Folgesatz 173 IV.3 Die Entropie Definition der Entropie Hauptgleichung der Thermodynamik Allgemeine thermodynamische Beziehungen Anwendungen der thermodynamischen Beziehungen Spezifische Wärmekapazität Kompressibilität, Ausdehnungskoeffizient, Spannungskoeffizient Drosselkoeffizienten Bestimmung der Entropie Nachweis für (du/dv)r 0 bei idealen Gasen Entropiezunahme bei irreversiblen Prozessen Strömung mit Reibung Drosselung Vermischung und Diffusion Überströmversuch von Joule Wärmeübertragung 199 IV. 4 Wirkungsgrade von arbeitsabgebenden und arbeitsaufnehmenden Maschinen 200 IV.5 Die Exergie Exergie der Wärme bei T = const Exergie geschlossener Systeme Isochore Zustandsänderung, v = const Isobare Zustandsänderung, p = const Exergie für Reaktionen mit gleicher Anfangsund Endtemperatur Exergie offener stationärer Systeme Exergieverlust bei irreversiblen Prozessen Exergetischer Wirkungsgrad Exergetischer Wirkungsgrad von Wärmeübertragern Exergie-Anergie-Flußbilder 221

6 Inhaltsverzeichnis V Mehrphasige Systeme 233 V.l Grundlagen 233 V. 2 Zustandsgrößen im Zweiphasengebiet Dampfgehalt Spezifisches Volumen Spezifische innere Energie, Enthalpie und Entropie 238 V. 3 Diagramme im Zweiphasengebiet Temperatur, Volumen-Diagramm; T, «-Diagramm Druck, Volumen-Diagramm; p, v- Diagramm Druck, Temperatur-Diagramm; p, T-Diagramm Zustandsfläche im p, v, T-Raum Temperatur, Entropie-Diagramm; T, s-diagramm Enthalpie, Entropie-Diagramm; h, s-diagramm Druck, Enthalpie-Diagramm; logp, /i-diagramm 244 V.4 Zustandsgieichungen und Zahlentafeln 245 V. 5 Einfache Zustandsänderungen im Zweiphasengebiet Isobare, isotherme Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Isenthalpe Zustandsänderung (irreversibel adiabat) 251 V.6 Die Clausius-Clapeyron-Gleichung 251 V. 7 Kreisprozesse mit Dämpfen Dampfkraftprozesse (Rechtsgängige Prozesse) Der Carnot-Prozeß Der Clausius-Rankine-Prozeß Kaltdampfprozesse (Linksgängige Prozesse) Linksgängiger Carnot-Prozeß Der Kaltdampfprozeß als Kälteprozeß Der Wärmepumpenprozeß 264 V.8 Dreiphasengebiet Zustandsdiagramme Die Clausius-Clapeyron Gleichung 269 VI Gemische von Gasen 277 VI. 1 Zusammensetzung, Konzentration 277 VI.2 Gemische idealer Gase Zustandsgieichung, Gaskonstante Innere Energie, Enthalpie, Wärmekapazitäten Entropie Exergie Zusammenstellung der Konzentrationsmaße; Zusammenstellung von Größen 284

7 10 Inhaltsverzeichnis VI. 3 Luft-Wasserdampf-Gemische (Feuchte Luft) Konzentrationsmaße Zustandsgrößen Dichte des Gemisches Enthalpie des Gemisches Das h, x-diagramm Konstruktion des h, x-diagramms Anwendungen des h, x-diagrammes Erwärmung und Kühlung bei konstantem Dampfgehalt (x = const.) Trocknung feuchter Luft (x ^ const.) Adiabate Vermischung zweier feuchter Luftströme Zugabe von Flüssigkeit oder Dampf Adiabate Kühlung (Naßkühlung) Das Psychrometer-Prinzip 306 VI. 4 Binäre zweiphasige Systeme (Zweistoff- Zweiphasen-Gemisch) Darstellung des Siedens und Kondensierens im Phasendiagramm Das T, x-diagramm Das p, x-diagramm Gemische mit azeotropem Punkt Das Enthalpie-, Konzentrations-Diagramm (h,w) 314 VII Vergleichsprozesse mit idealem Gas 321 VII. 1 Allgemeines Arbeit, Leistung, Mitteldruck Arbeitsmitteldurchsatz 324 VII. 2 Rechtsgängige Prozesse Wirkungsgrade Carnot-Prozeß Vergleichsprozesse für Otto-Motor und Diesel-Motor Annahmen für den Vergleichsprozeß Definitionen Wirkungsgrade Mitteldruck Vergleich des realen Otto-Prozesses mit dem Vergleichsprozeß Stirlingmotor Stirling-Prozeß Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck 337

8 Inhaltsverzeichnis Heißgasmotor Ericson-Prozeß Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Gasturbinenanlagen, Strahltriebwerke Offene und geschlossene Gasturbinenanlage ohne Wärmerückführung Joule-Prozeß Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Offene und geschlossene Gasturbinenanlagen mit Wärmerückführung Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Mehrstufige Gasturbinenprozesse Strahltriebwerke Thermischer Wirkungsgrad Raketen Äußerer Wirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad von Strahltriebwerken und Raketen Vergleich der Vergleichsprozesse 352 VII. 3 Linksgängige Prozesse Verdichter (Kompressoren) Vergleichsprozeß Arbeit, Leistung Wirkungsgrade Definitionen Mehrstufige Verdichter Gaskältemaschinen Stirling-Prozeß Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung 364 VIII Vergleichsprozesse mit Dämpfen 375 VIII. 1 Dampfkraftanlagen Thermodynamische Mitteltemperatur und Wirkungsgrade Exergetische Wirkungsgrade Clausius-Rankine-Prozeß Clausius-Rankine-Prozeß mit Zwischenüberhitzung Regenerative Speisewasservorwärmung Gas-Dampf-Kraftprozesse (GD-Prozesse) 385 VIII. 2 Kaltdampfprozesse Exergetische Behandlung von Kälteprozessen Irreversibel ablaufende Kälteprozesse 390

9 12 Inhaltsverzeichnis IX Strömungsvorgänge 395 IX. 1 Allgemeines 395 IX.2 Grundlagen 395 IX. 3 Strömungen kompressibler Medien in Düsen und Diffusoren Düsen und Diffusoren Ausströmung aus Behältern durch sich verengende Düsen Ausströmgeschwindigkeit Ausströmende Masse, Durchflußfunktion Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit bei Ausströmung aus einer sich verengenden Düse Strömung durch konvergente Düsen Laval-Düse Grundlagen Zusammenstellung der Gleichungen Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in einer Laval-Düse und in Diffusoren Verdichtungsstöße Grundgleichungen Darstellung des Verdichtungsstoßes im Diagramm Bewertungsgrößen von Düsen und Diffusoren 428 X Verbrennungsprozesse 439 X.l Allgemeines Größen und Symbole 441 X.2 Brennwert, Heizwert Brennwert Messung des Brennwertes Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie Heizwert Berechnung von Brennwert und Heizwert Brennstoffgemische Chemische Verbindungen Verbandsformeln 450 X.3 Sauerstoff- und Luftbedarf Mindestbedarf an Sauerstoff für feste und flüssige Brennstoffe Mindestbedarf an Sauerstoff für gasförmige Brennstoffe Luftbedarf und Luftüberschuß 454

10 Inhaltsverzeichnis 13 X.4 Brennstoffkennzahlen Kennzahl für den Sauerstoffbedarf, a Kennzahl für den Stickstoffgehalt, v 458 X.5 Rauchgase Feuchte Rauchgase fester und flüssiger Brennstoffe Feuchte Rauchgase gasförmiger Brennstoffe Näherungsgleichungen Trockene Rauchgase Anwendung für die Rauchgasanalyse 463 X.6 Verbrennungstemperatur Rauchenthalpie und Rauchgastemperatur Maximale Verbrennungstemperatur Schornsteinverluste Wärmekapazität der Rauchgase Das h, ^-Diagramm 470 X. 7 Feuerungwirkungsgrad 473 X. 8 Irreversibilität der Verbrennung Reaktionsarbeit und Reaktionsentropie Absolute Entropie, dritter Hauptsatz, Standardentropie Brennstoffexergie Exergieverluste bei der Verbrennung Exergetischer Wirkungsgrad 484 Anhang 493 Anhang 1 Lösungen der Aufgaben 493 Anhang 2 Thermodynamische Größen einiger Stoffe 503 Anhang 3 Berechnung der Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf 504 Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf bei Sättigungszustand (Drucktafel) 504 Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf bei Sättigungszustand (Temperaturtafel) 508 Zustandsgrößen für Wasser und überhitzten Dampf 510 Anhang 4 h, x-diagramm 517 Anhang 5 Wirkungsgrade von Energiewandlungsanlagen in der Technik 518 Anhang 6 Beispiele für Energien und Leistungen 519 Anhang 7 Beispiele für Leistungsdichten 519 Anhang 8 Tripelpunkte und kritische Daten einiger Stoffe 520 Anhang 9 Literatur 521 Anhang 10 Stichwortverzeichnis 523