Einführung. technische Thermodynamik

Transkript

1 Einführung in die technische Thermodynamik Von Dr.-lng. habil. Ernst Schmidt o. Prof. an dt~r Technischen Hochschule Braunechweig Dritte, unveränderte Auflage Mit 193 Abbildungen im Text und 3 Dampftafeln Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1945

2 Alle Rechte, insbesondere das der l:jhersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1945 Additional material to this book can be downloaded from ISBN ISBN DOI /

3 Vorwort zur ersten Auftag e. Das vorliegende Buch ist ein Lehrbuch der technischen 'fhermodynamik, insbesondere für Studierende und zum Selbststudium. Es ist aus meinen Vorlesungen an der Technischen Hochschule Danzig hervorgegangen und behandelt die Thermodynamik etwa in dem Umfang, wie es in einer sich über zwei Semester erstreckenden Vorlesung möglich ist. Besonderes Gewicht wurde auf die erschöpfende Behandlung der Grundlagen gelegt. Vor allem der zweite Hauptsatz, dessen völlige Erfassung den Studierenden erfahrungsgemäß am meisten Schwierigkeit macht, wurde von verschiedenen Seiten her entwickelt. Dabei habe ich versucht, auch die neueren Darstellungen von M. PLANCK und ÜARATHEODORY dem Ingenieur verständlich zu machen. Bei der starken Entwicklung der augewandten Thermodynamik in den letzten Jahrzehnten, die einerseits zahlreiche neue Anwendungen fand, andererseits auf ihren alten Gebieten die Grenzen der benutzten Drucke und Temperaturen stark erweiterte, zwang die Fülle des Stoffes zur Beschränkung, wenn der Umfang nicht über das für t>ine Einführung geeignete Maß hinaus anwachsen sollte. Es wurde aber angestrebt, den Leser an die heute im Vordergrund des praktischen Interesses stehenden Fragen heranzuführen, dazu gehört besonders auch das Gebiet der Wärmeübertragung. Der Aufbau des Buches ist dem Bedürfnis des an den Anwendungen interessierten Ingenieurs angepaßt. Es wird daher nicht zunächst das ganze Begriffssystem der Thermodynamik in axiomatischer Weise abgeleitet, sondern an die entwickelten Sätze werden jeweils die damit schon erreichbaren Anwendungen angeschlossen. Übungsaufgaben sollen zu eigenem Rechnen anleiten. In der Thermodynamik wurde leider bisher oft mit nicht dimensionsrichtigen Formeln gearbeitet, was die Umrechnung auf andere Einheiten sehr erschwerte. In diesem Buch sind, abgesehen von wenigen, durch die Rücksicht auf fremde Quellen begründeten Ausnahmen, auf die stets ausdrücklich hingewiesen ist, alle Formeln als Größengleichungen geschrieben. In den Anwendungsbeispielen wurde versucht, dem Leser die Wichtigkeit der dimensionsrichtigen Behandlung der Formeln auch bei der Zahlenrechnung klarzumachen. In den Tabellen und Kurventafeln, die bei der gebotenen Raumbeschränkung keinen Anspruch auf Vollständigkeit machen können, sind die neuesten Arbeiten berücksichtigt. Insbesondere wurden die spektroskopischen Werte der spezifischen Wärmen der Gase und die Vereinbarungen der IntPrnat.ionaiPn Dampftafelkonferenz 1934 in New York

4 IV Vorwort zur zweiten AuflagP. über die Eigenschaften des Wasserdampfes zugrunde gelegt. Die Dampftafeln und das Mollier-Diagramm des Wasserdampfes sind nach diesen Vereinbarungen neu berechnet. Auf Schrifttumangaben im Text ist im allgemeinen verzichtet, nur bei neueren Arbeiten, die.noch nicht, in die zusammenfassenden Darstellungen übergegangen sind, wurden Quellen angegeben. Das Buch soll zugleich das bekannte Werk von ScHÜLE ersetzen, das für eine ganze Generation von Ingenieuren das meist benutzte thermodynamische Buch in Deutschland gewesen ist und von dem keim Neuauflagen mehr beabsichtigt sind. Es ist geplant, dieser Einführung in einiger Zeit einen 2. Band folgen zu lassen, in dem weitergehende Sonderfragen der Thermodynamik behandelt werden und der dem Ingenieur zugleich den Zugang zu den chemischen Anwendungen der Thermodynamik eröffnen soll. Dem Springer-Verlag danke ich für die verständnisvolle und sorgfältige Ausführung des Druckes. Danzig-Langfuhr, im Juni ERNST SCHMIDT. Vorwort zur zweiten Auflag e. Seit dem Jahre 1941 war dieses Buch vergriffen. Meine starke Inanspruchnahme durch Aufgaben des Krieges verzögerte leider das Erscheinen der neuen Auflage. Bei der Überarbeitung habe ich zahlreiche kleinere Änderungen und Verbesserungen vorgenommen und mehrere neue Abschnitte hinzugefügt. Die Behandlung der Maßsysteme und Einheiten wurde vertieft und der bei dimensionsrichtiger Schreibweise der Formeln überflüssige Faktor A des mechanischen Wärmeäquivalentes fortgelassen. In der ersten Auflage hatte ich noch daran festgehalten, um die Einführung eines neuen Buches nicht durch das Abweichen von dem gewohnten Bild der Formeln zu en;chweren. Ein Abschnitt über logarithmische Diagramme wurde hinzugefügt. Dafür ist die geometrische Konstruktion der Polytrope nach Brauer fortgelassen. Der Einfluß von Gaszusammensetzung und Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmen auf Gasmaschinenprozesse wurde ausführlicher behandelt, wobei für die wichtigsten Gase Tabellen der inneren Energie, Enthalpie und Entropie für Temperaturen bis 3000 gebracht werden. Der Abschnitt über die Zustandsgleichungen des Wasserdampfes ist den neuen VDI-Wasserdampftafeln angepaßt. Bei den Verbrennungserscheinungen ist auf das Klopfen des Verbrennungsmotors ausführlicher als bisher eingegangen. Größere Änderungen an verschiedenen Stellen erfuhr der Abschnitt über die Grundbegriffe der Wärmeübertragung, insbesondere wurde er durch zwei neue Kapitel über die Beziehungen zwischen Wärmeübergang und Strömungswiderstand sowie über die Wärmeübertragung beim Kondensieren und Verdampfen ergänzt. Schließlich habe ich einen neuen Abschnitt über Dampf-Luft-Gemische auf-

5 Vorwort zur dritten Auflage. V genommen, in dem das Molliersche i,x-diagramm und auch die Beziehungen zwischen Stoffaustausch und Wärmeübergang behandelt sind. Alle Zahlenangaben und Tabellenwerte und selbstverständlich auch die Dampftafeln des Anhanges habe ich dem neuesten Stande angepaßt. Die Ausstattung mit Zahlenangaben für Stoffeigenschaften usw. ist reichlicher als sonst bei einem Lehrbuch üblich, damit der Leser die wichtigsten Unterlagen zur Lösung praktischer Aufgaben zur Hand hat und nicht immer in den bekannten Tabellenwerken nachzuschlagen braucht. Das Auffinden solcher Zahlenwerte wird durch ein dem Inhaltsverzeichnis angefügtes Verzeichnis der Tabellen sowie durch das erweiterte Namen- und Sachverzeichnis erleichtert. Für das Erscheinen des im Vorwort der ersten Auflage in Aussicht gestellten zweiten Bandes muß ich meine Leser leider bis nach Kriegsende vertrösten. Zahlreichen Freunden und Kollegen danke ich für wertvolle Ratschläge und Berichtigungen, die ich bemüht war, bei der Neuauflage zu berücksichtigen. Insbesondere habe ich dem Springer-Verlag zu danken für sein bereitwilliges Eingehen auf meine Wünsche und die trotz des Krieges noch so gute Ausstattung des Buches. Braunschweig, im Juli ERNST SCHMIDT. Vorwort zur dritten Auflage. In der neuen Auflage sind einige Druckfehler der 2. Auflage berichtigt. Außerdem wurde der Abschnitt über Wärmeübertragung bei aufgezwungener Strömung (S. g02-304) mit Rücksicht auf eine inzwischen erschienene bemerkenswerte Arbeit von H. HAUSEN umgearbeitet. Brannschweig. im November ERNS'l' SCHMIDT.

6 Inhaltsvm zeichnis. I. Temperatur und Wärmemenge. Seite 1. Einführung des Temperaturbegriffs, die Temperaturskala des vollkommenen Gases Die gesetzliche Temperaturskala 3 3. Praktische Temperaturmessung 7 a) Flüssigkeitsthermometer.. 7 b) Widerstandsthermometer.. 8 c) Thermoelemente 9 d) Strahlungsthermometer Maßsysteme und Einheiten. Größengleirhun!!en Wärmemenge und spezifische Wärme 15 Aufgabe 1 II. Erster Hauptsatz der Wärmelehre. 6. Das mechanische Wärmeäquivalent. Energieeinheiten Aufgabe Das Prinzip der Erhaltung der Energie und die mechanische Deutung der Wärmeerscheinungen III. Der thermodynamische Zustand eines Körpers 8. piethermische Zustandsgleichung. Zustandsgrößen Außere Arbeit, innere Energie und Wärmeinhalt oder Enthalpie Die kalorischen Zustandsgleichungen IV. Das vollkommene Gas. ll. Die Gesetze von BoYLE-MARIOTTE und GAY-LUSSAC und die thermische Zustandsgleichung der vollkommenen Gase Die Ga3konstante und das Gesetz von AvoGADRO. Normtemperatur, Normdruck, Normzustand Die Zustandsgleichung von Gasgemischen Die Abweichungen der wirklichen Gase von der Zustandsgleichung des vollkommenen Gases Die spezifischen Wärmen und die kalorischen Zustandsgleichungen der vollkommenen Gase Die spezifischen Wärmen der wirklichen Gase Einfache Zustandsänderungen vollkommener Gase a) Zustandsänderung bei konstantem Volumen oder Isochore.. 48 b) Zustandsänderung bei konstantem Druck oder Isobare c) Zustandsänderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme. 49 d) Adiabate Zustandsänderung e) Polytrope Zustandsänderung f) Logarithmische Diagramme zur Darstellung von Zustandsänderungen Ermittlung des Temperaturverlaufes und des polytropen Exponenten bei empirisch gegebenen Zustandsänderungen Das Verdichten von Gasen und der Arbeitsgewinndurch Gasentspannung Aufgabe 4-10.

7 Inhaltsverzeichnis. VII V. Kreisprozesse. Seite 20. Die Umwandlung von Wärme in Arbeit durch Kreisprozesse Der Garnotsehe Kreisprozeß und seine Anwendung auf das vollkommene Gas Die Umkehrung des Garnotsehen Kreisprozesses VI. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre. 23. Umkehrbare und nicht umkehrbare Vorgänge Der Garnotsehe Kreisprozeß mit beliebigen Stoffen l 25. Die Temperaturskala des vollkommenen Gases als thermodynamische Temperaturskala Beliebige umkehrbare Kreisprozesse, Arbeitsverlust bei nicht umkehrbaren Prozessen Die Entropie als Zustandsgröße. Das Glausiussche Integral des umkehrbaren Prozesses Die Entropie als vollständiges Differential und die absolute Temperatur als integrierender Nenner Ableitung des Wirkungsgrades des Garnotsehen Kreisprozesses und der absoluten Temperaturskala ohne Benutzung der Eigenschaften des vollkommenen Gases Einführung der absoluten Temperaturskala und des Entropiebegriffes ohne Hilfe von Kreisprozessen Die Entropie der Gase und' anderer Körper Die Entropiediagramme Das Entropie-Diagramm der Gase Das Verhalten der Entropie bei nicht umkehrbaren Vorgängen. Der zweite Hauptsatz als das Prinzip der Vermehrung der Entropie 96 3.J. Spezielle nicht umkehrbare Prozesse a) Reibung b) Wärmeleitung unter Temperaturgefälle 101 c) Drosselung d) Mischung und Diffusion Die maximale Arbeit von phyaikalischen und chemischen Zustandsänderungen Aufgabe ll Statistische Deutung des zweiten Hauptsatzes lll a) Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit eines Zustandes.. lll b) Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit c) Die endliche Größe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit, Quantentheorie, Nernstsches W'ärmetheorem HI. Anwendung der Gasgesetze und der beiden Hauptsätze auf Gasmaschinen. 38. Der technische Luftverdichter ll9 a) Schädlicher Raum, Füllungsgrad ll9 b) Drosselverluste c) Liefergrad, Förderleistung, Wandungswirkungen, Undichtheiten. 122 d) Mehrstufige Verdichter e) Wirkungsgrade Die Heißluftmaschine und die Gasturbine Die Arbeitsprozesse bei Verbrennungsmotoren 131 a) Das Otto- oder Verpuffungsverfahren b) Das Diesel- oder Gleichdruckverfahren c) Der gemischte Vergleichsprozeß d) Abweichungen des Vorgangs in der wirklichen Maschine vom theoretischen Vergleichsprozeß; Wirkungsgrade Die Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmen und der Änderung der Zusammenset:~.ung des Arbeitsmittels bei Gasmaschinenprozessen AufgabE'

8 VIII Inhaltsverzeichnis. VID. Die Eigenschaften der Dämpfe. 8eit" 42. Gase und Dämpfe, der Verdampfungsvorgang und die P, v, T-Diagramme Die kalorischen Zustandsgrößen von Dämpfen Tabellen und Diagramme der Zustandsgrößen von Dämpfen Einfache Zustandsänderungen von Dämpfen 160 a) Isobare Zustandsänderung b) Isochore Zustandsänderung c) Adiabate Zustandsänderung d) Drosselung Die Gleichung von CLAUSIUS und CLAPEYRON Das schwere Wasser Aufgabe IX. Das Erstarren und der teste Zustand. 48. Das Gefrieren und der Tripelpunkt Die spezifische Wärme fester Körper Der Absolutwert der Entropie und der Nernstsche Wärmesatz. 171 X. Anwendungen auf die Dampfmaschine. 51. Die theoretische Arbeit des Dampfes in der Maschine Wirkungsgrade, Dampf- und Wärmeverbrauch Der E.influß von Druck und Temperatur auf die Arbeit des Clausius Rankine-Prozesses Die Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Arb.eitsprozeß a) Verluste durch Wärmeströmung unter Temperaturgefälle 181 b Verlust durch unvollständige Expansion c) Wandverluste d) Drosselverluste e) Verluste durch schädlichen Raum Trennung der Verluste durch Vergleich des Indikatordiagrammes mit dem theoretischen Prozeß Die Vbertragung des Indikatordiagrammes in das T,s-Diagramm Der Wärmeübergang im Zylinder und die Vorteile des überhitzten Dampfes Konstruktive Maßnahmen zur Verminderung der Wandverluste. 193 a) Der Dampfmantel b) Die mehrstufige Expansion und die Zwischenüberhitzung c) Die Gleichstrommaschine Besondere Arbeitsverfahren a) Die Verwendung von Dampfinder Nähe des kritischen Zustandes 195 b) Die Carnotisierung des Clausius-Rankine-Prozesses durch stufenweise Speisewasservorwärmung c) Quecksilber und andere Stoffe hohen Siedepunktes als Arbeitsmittel für Kraftanlagen d) Binäre Gemische als Arbeitsmittel Die Umkehrung der Dampfmaschine a Die reversible Heizung und die Wärmepumpe 201 b) Die Kaltdampfmaschine als Kältemaschine. 202 Aufgabe XI. Zustandsgleichungen von Dämpfen. 61. Die van der Waalssche Zustandsgleichung Zustandsgleichungen des Wasserdampfes Die Beziehungen der kalorischen Zustandsgrößen zur thermischen Zustandsgleichung Die Entropie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen

9 Inhaltsverzeichnis. SeitE 65. Die Enthalpie und die innere Energie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die spezifischen Wärmen als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die Ermittlung der kalorischen Zustandsgleichung aus kalorischen ~fessungen XII. Strömende Bewegung von Gasen und Dämpfen. 68. Laminare und turbulente Strömung, Geschwindigkeitsverteilung und mittlere Geschwindigkeit Kontinuitätsgleichung, Umwandlung von Druckenergie in lebendige Kraft Meßtechnische Anwendungen, Staurohr, Düse und Blende Enthalpie und lebendige Kraft der Strömung Die Reibungsarbeit der Strömung Die Strömung eines vollkommenen Gasesdurch Düsen und Mündungen Die Schallgeschwindigkeit in Gasen und Dämpfen Die erweiterte Düse nach DE LAVAL Andere Behandlung der Düsenströmung Die Lavaldüse bei unrichtigem Gegendruck 250 Aufgabe XIII. Die Verbrennungserscheinungen. 78. Allgemeines, Grundgleichungen der Verbrennung, Heizwerte Sauerstoff- und Luftbedarf der vollkommenen Verbrennung, Menge und Zusammensetzung der Rauchgase 257 a) Feste und flüssige Brennstoffe b) Gasförmige Brennstoffe Die Beziehungen zwischen der Zusammensetzung der trockenen Rauchgase, der Zusammensetzung des Brennstoffes und dem Luftverhältnis Die Abhängigkeit der Verbrennungswärme von TemperaturundDruck Verbrennungstemperaturund Wärmeinhalt(Enthalpie )der Rauchgase Das i, t-diagramm und die näherungsweise Berechnung der Verbrennungsvorgänge Unvollkommene Verbrennung Einleitung und Ablauf der Verbrennung DaR Klopft>n Yon VerbrennungRmotoren 274 Aufgabe XIV. Die Grundbegriffe der Wärmeübertragung. 87. Allgemeines Stationäre Wärmeleitung Wärmeübergang und Wärmedurchgang Nicht stationäre Wärmeströmungen Die Ähnlichkeitstheorie der Wärmeübertragung Wärmeübergang und ~trömungswiderstand Einzelprobleme der Wärmeübertragung ohne Zustandsänderung des lviit.tels a) Aufgezwungene ~trömung b) Freie Strömung Wärmeübertragung beim Kondensieren und Verdampfen. 307 XV. Die Wärmeübertragung durch Strahlung. 95. Grundbegriffe, Gesetz von Kirchhoff Die Strahlung des schwarzen Körpers Die Strahlung technischer Oberflächen Der Wärmeaustausch durch Strahlung. 99. Die Strahlung beim Wärmedurchgang durch Luftschichten Aufgabe IX

10 X r nhaltsverzeichnis. XVI. Dampf-Gas-Gemische. ::leite 100. Allgemeines : Das i, x-diagramm der feuchten Luft nach MoLLIER.. :328 a) Enthalpieänderung bei gleichbleibendem WassPr~rehalt :330 b) Mischung zwei er Luftmengen c) Zusatz von Wasser oder Dampf d) Feuchte Luft streicht über eine Wasser- oder Eisfläche. :33: Der Stofftransport durch Diffusion Stoffaustausch und. Wärmeübergang Anhang: Dampftabellen und Tafeln. Tabelle Ia und Ib. Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung II. Spezifisches Volumen, Enthalpie und Entropie des Wassers und des überhitzten Dampfes III. Zustandsgrößen von Ammoniak bei Sättigung IV. Zustandsgröße!! von Kohlensäure bei Sättigung Tafel A. Mollier-(i, s)-diagramm von Wasserdampf... }Befinden sich am " B. Mollier-(log p, i)-diagramm von Ammoniak.. Sc_hluß des Buches " C. i, x-diagramm der feuchten Luft nach MoLLIER m der Tasche. Lösungen der Aufgaben 350 Schrifttum Namen- und Sachverzeichnis 360

11 Verzeichnis der Tabellen. Nr. 1. Thermometrische Festpunkte Mutterteilungen für Quecksilbertltermometer Berichtigungsfaktor c für den herausragenden l!'aden. 4. Thermokraft und ungefähre höchste Verwendungstemperatur von Metallpaaren für Thermoelemente Grundeinheiten im physikalischen und technischen Maßsystem 6. Umrechnung von Druckeinheiten Spez. Wärme c von Wasser bei 760 mm Q.-S. 8. Umrechnung von Energieeinheiten Pv 9. Werte von RT für Luft Werte von :1; für Wasserstoff.... Seite ll. Wichte (spez. Gewicht) und spezifische Wärme von Gasen Wahre spezifische Wärme l2:p von Gasen bei verschiedenen Temperaturen Mittlere spezifische Wärme [12:p]~ von Gasen zwischen 0 C und t Mittlere spezifische Wärme der Luft zwischen 20 und 100 bei verschiedenen Drücken Adiabate und polytrope Expansion von Gasen Entropiedifferenz p 0 der Gase zwischen 0 C und t Ergebnisse von 432 Würfen mit zwei Würfeln Thermodynamische Wahrscheinlichkeit W der Verteilung von N-Molekülen auf zwei Raumhälften Theoretische Wirkungsgrade des Ottomotors Theoretische Wirkungsgrade des Dieselmotors Differenz der inneren Energie U zwischen 0 C und t für einige Gase. 22. Differenz der Enthalpie ~ zwischen 0 C und t für einige Gase 23. Differenz der Entropie!Sv zwischen 0 C und t für einige Gase. 24. Kritische Daten einiger Stoffe Spezifische Wärme von Eis Arbeit L von 1 kg D.1mpf und Wirkungsgrad r;th des Clausius-R.ankine Prozesses der D.1mpfmaschine in Abhängigkeit von Druck und Überhitzungstemperatur Durchflußzahlen für Normdüse und für Normblende bei verschiedenem Öffnungsverhältnis Kritische Druckverhältnisse Erweiterungsverhitltnis und Geschwindigkeitsverhältnis bei Lavaldüsen. 30. Heizwerte der einfachsten Brennstoffe Zusammensetzung und Heizwert fester Brennstoffe Verbrennung flüssiger Brenn- und Kraftstoffe Verbrennung einiger einfacher Gase Zusammensetzung der trockenen atmosphärischen Luft 35. Verbrennung einiger technischer Heizgase G.1sluftgemische, Zündgrenzen und Entzündungstemperatur. 37. Wärmeleitzahlen Rechnerische Durchführung des Differenzenverfahrens nach E. ScHMIDT 39. Konstanten der Gleichung des Wärmeüberganges am quer von Luft augeströmten Rohr nach HrLPERT ll

12 XII Inhaltsverzeichnis. Nr. Seite 40. Mittlere Anhaltwerte für die Wärmeübergangszahl IX an siedendes Wasser von Wärmetechnische Stoffwerte Emissionsverhältnis sn der Strahlung in Richtung der Flächennormalen und s der Gesamtstrahlung für verschiedene Körper Temperaturfaktor a = (T1/l00/-<;1/I00) 4 zur Berechnung des Strahl- 2 lungsaustausches Aufteilung des Wärmedurchganges durch eine Luftschicht von 20 Mitteltemperatur bei. Begrenzung durch Oberflächen hoher Strahlungszahl (s = 0,90) und niederer Strahlungszahl (Aluminium e = 0,05) Teildruck, Dampfgehalt und Enthalpie gesättigter feuchter Luft