Keine Panik vor Thermodynamik!

Transkript

1 Keine Panik vor Thermodynamik!

2 Dirk Labuhn Oliver Romberg Keine Panik vor Thermodynamik! Erfolg und Spaß im klassischen "Dickbrettbohrerfach" des Ingenieurstudiums 6. Auflage

3 Dirk Labuhn Bremen, Deutschland Oliver Romberg Bremen, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2005, 2006, 2007, 2009, 2011, 2012 Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort zur 1. bis 6. Auflage Hurra! Hier ist es nun, das 1-millionste Buch zur Thermodynamik. Aber reichen denn die anderen nicht? Uns jedenfalls haben sie nicht gereicht, denn wir kennen die Probleme, die beim Aufeinandertreffen von Studenten und Thermodynamik auf Seiten der Studenten (und nur auf Seiten der Studenten!) entstehen. Wir kennen das sowohl aus eigener Erfahrung als Leid Tragende im dritten und vierten Semester, als auch von der anderen Seite aus gesehen. Daher haben wir das vorliegende Buch geschrieben, weil es bei der herkömmlichen Beschäftigung mit Thermo unnötigerweise oft zu Frust unter den Studenten kommt 1,2. Der Hauptgrund für den Studenten-Frust ist der Gleiche, wie bei fast allen Fächern: Der Stoff wird mit L staubtrocken dargeboten, wobei L einen Faktor auf der nach oben offenen Langeweile-Skala darstellt. Auch wenn Einige mit dem Stoff in der dargereichten Form erstaunlicherweise ohne Probleme zurechtkommen 3, ist es für die meisten eine große Hilfe, wenn die Materie etwas aufbereitet wird (L 0). Und genau da setzt dieses Buch an: Unser Ziel ist es, unter bewusstem Verzicht auf die wissenschaftliche Strenge (gähn!), den Stoff etwas bekömmlicher darzustellen. Dabei sind einige Dinge, vor allem lange Herleitungen und mathematische Beweise (schnarrrrrch!), unter den Tisch gefallen. Stattdessen sind viele anschauliche Beispiele hineingekommen, die jeder aus dem eigenen Leben kennt. Oder zumindest kennen sollte, nicht wahr? Wir können und wollen die anderen Bücher über Thermo, die schon auf dem Markt sind, nicht ersetzen und wir haben für dieses Buch das Rad ganz sicher nicht neu erfunden. Kein Zusammenhang, der hier drin steht, ist von uns hergeleitet oder gar entdeckt worden. Zur Erstellung des Buches dienten die Vorlesungsunterlagen von Herrn Prof. Dr.-Ing. P. Stephan, TU Darmstadt [23], unsere eigenen Mitschriften als Studenten, aber auch zahlreiche andere Bücher 1 Herr Dr. Romberg möchte betonen, dass er in erster Linie deswegen bei dem Buch mitgewirkt hat, um seine katastrophale finanz Villen auf Hawaii verwalten zu lassen. 2 Herr Dr. Labuhn möchte hingegen betonen, dass es ihm ausschließlich darum geht, Not leidenden Studenten und Studentinnen moralisch unter die Arme zu greifen. Schließlich haben sich diese armen Seelen freiwillig für dieses wunderschöne Fach entschieden, oft sogar gegen den elterlichen Rat Mach was Ordentliches mit Marketing oder Jura!. 3 Oder auch nur so tun! V

5 [1], [2], [9], Manuskripte, Aufgabensammlungen, Vorlesungsmitschriften [3], [12], [16], [22] und Online-Quellen [8], [27]. Der Vollständigkeit halber erwähnen wir auch noch, dass die hier verwendeten Grundrechenarten erstmals durch den Churfürstlich Sächsischen Hofarithmeticus, Herrn Adam Ries(e) [20], dargestellt wurden. Das vorliegende Buch ist also ein Einstieg in die Grundlagen der Thermodynamik und soll eine Brücke zwischen dem Anfänger und den Experten sein und kann auch dazu dienen, sich auf die richtigen Lehrbücher vorzubereiten. Neu ist in diesem Buch die Darstellungsweise, die Thermodynamik und Alltag endlich unter einen Hut bringt. Das Werk soll Erfolg und Spaß im klassischen Dickbrettbohrerfach" des Ingenieurstudiums bringen und außerdem helfen, auf lustvolle Art und Weise die Gültigkeit der althergebrachten Formel Thermo ist, wenn nach der Klausur 50% durchgefallen sind in Frage zu stellen. Diese Regel hat zu einigen so nicht geplanten Karrieren in Copy-Shops, Studentenkneipen oder als Netzwerk-Administrator 4 geführt und das muss nun wirklich nicht sein! In der 2. Auflage wurde das Buch überarbeitet und noch ein paar fiese Abschnitte über Gemische und über die Fundamentalgleichungen hinzugefügt. Außerdem ist der Aufgabenteil erweitert worden. In der 3. Auflage wurden auch der Joule-Thomson Effekt und die Luftverflüssigung nach Linde behandelt. Außerdem sind die einige Kapitel überarbeitet und erweitert worden. In der 4. Auflage mussten nur noch ein paar Kleinigkeiten verbessert werden, da in den Auflagen zuvor schon viele Bugs durch zahlreiche Hinweise aus der Leserschaft entfernt wurden (vielen Dank dafür!) In der 5. Auflage wurden wieder einige didaktische Feinheiten verändert, wobei wir vor allem Hinweisen unserer Leser gefolgt sind, wenn z. B. eine Erläuterung (angeblich) nicht eindeutig genug war. In der 6. Auflage wurde lediglich eine Handvoll Tippfehler ausgemerzt. Bremen im Juli 2012 Dirk Labuhn und Oliver Romberg 4...aber auch der braucht Thermo. Zumindest dann, wenn er verstehen will, wie er seine Gemächer zu Gunsten der Rechnerlebensdauer konstant kühl halten kann. VI

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Mathe für Thermodynamiker und -innen Deutsch für Thermodynamiker (m/w) Hier geht nix verloren - die Sache mit der Energie Erst mal Bilanz ziehen Zustandsgrößen und Prozessgrößen Masse und Stoffmenge Spezifische, intensive und extensive Größen Zwei alte Bekannte Druck Temperatur Kurze Prozesse! 23 2 Thermische Zustandsgleichungen Ideal einfach - Das ideale Gasgesetz Noch einfacher - Das inkompressible Fluid Malen nach Zahlen - Zustandsdiagramme Das p,v-diagramm Das T,v-Diagramm Das p,t-diagramm und die Antoine-Gleichung Das Nassdampfgebiet aus der Nähe betrachtet Weniger einfach Kubische Zustandsgleichungen Die lineare Interpolation 47 3 Unsere erste Bilanz, die Massenbilanz 49 4 Hauptsache Hauptsätze - Der 1. Hauptsatz Rein oder raus? Wie vereinfache ich meinen Hauptsatz? Über Wärme und Arbeit Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Der 1. Hauptsatz für offene Systeme Beispiele für Energiebilanzen 74 VII

7 4.6.1 Ein quasi-stationärer Fließprozess Ein klassischer stationärer Fließprozess Ein instationärer Fließprozess Noch ein stationärer Prozess Energie wirkt immer! 81 5 Wenn das Nudelwasser überkocht und ähnliche Dramen Im Namen des Stoffgesetzes - Kalorische Zustandsgleichungen Kalorische Zustandsgleichung idealer Gase Zustandsänderungen beim idealen Gas Isotherme Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isentrope Zustandsänderung Kalorische Zustandsgleichung inkompressibler Fluide Der Joule-Thomson Effekt Hauptsätze und Nebensätze - Der 2. Hauptsatz Entropie - Die Sache mit der Unordnung Die Entropiebilanz Die Berechnung von Entropieströmen Die Fundamentalgleichung Die Entropie der Materie Entropiezustandsgleichung für das ideale Gas Entropiezustandsgleichung für das inkompressible Fluid Die Entropie der Wärme Entropieerzeugung durch Dissipation Der 2. Hauptsatz, ganz allgemein Das T,s-Diagramm Energie und Entropie im Nassdampfgebiet Das h,s-diagramm Turbinen, Verdichter, isentrope Wirkungsgrade Exergie und Anarchie Exergie-Rechnereien 139 VIII

8 7.1.1 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems Exergie und Anergie der Wärme Exergie und Anergie eines Massenstroms Ex und hopp - Exergieverluste Der exergetische Wirkungsgrad Wärmeübertragung Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Kreisprozesse Linksherum und rechtsherum im Kreis Wärmekraftmaschinen Wirkungsgrade von Wärmekraftmaschinen Kältemaschinen und Wärmepumpen Leistungszahlen von Kältemaschinen/Wärmepumpen Realisierungen rechts laufender Kreisprozesse Der Streber - Carnot Kreisprozesse die Gas geben Ericsson-Prozess Joule-Prozesse, offen oder geschlossen Stirling-Prozess On the road - Verbrennungsmotoren Otto-Prozess Diesel-Prozess Kreisprozesse in XXL - Dampfkraftanlagen Einfacher Dampfkraft- und Clausius-Rankine-Prozess Dampfkraft-Prozess mit Zwischenüberhitzung Dampfkraft-Prozess mit Speisewasservorwärmung Der Gesamtwirkungsgrad von Dampfkraftanlagen Realisierungen links laufender Kreisprozesse Der Kompressorkühlschrank Luftverflüssigung nach Linde 209 IX

9 10 Gemischte Gefühle oder gefühlte Gemische Die Beschreibung von Gemischen Die Bäckermethode Die Erbsenzählermethode Backerbsen - wiegen oder zählen? Ideale Gemische von Gasen und von Flüssigkeiten Das ideale Gasgemisch Die ideale Lösung Das Phasengleichgewicht Siedediagramme für binäre Gemische Das p,xy-diagramm Das T,xy-Diagramm Nicht nur in den Tropen ein Problem - Feuchte Luft Die Zusammensetzung von feuchter Luft Stoffwerte von feuchter Luft Zustandsänderungen feuchter Luft Isobares Abkühlen feuchter Luft Adiabates Mischen feuchter Luft Verbrennungen dritten Grades Das Sauerstoffangebot Der Sauerstoffbedarf Kohle, Koks und Konsorten Gas, Grappa und Genossen Erst mal tief Luft holen Bilanzen bei der technischen Verbrennung Aufgaben mit Lösungsweg Aufgaben zum idealen Gasgesetz Aufgaben zum ersten Hauptsatz Aufgaben zum Nassdampfgebiet Aufgaben zum zweiten Hauptsatz Aufgaben zur Exergie Aufgaben zu Kreisprozessen 315 X

10 13.7 Aufgaben zu Gemischen Aufgaben zu feuchter Luft Aufgaben zur Verbrennung 336 Literaturverzeichnis Sachregister XI