Einführung in die Technische Thermodynamik

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1 Einführung in die Technische Thermodynamik

2 Einführung in die Technische Thermodynamik und in die Grundlagen der chemischen Thermodynamik Von Ernst SChUlidt Dr.-Ing. haijil. Dr. rer. nato h. C. L. L. D. h. c. o. Professor an der Teehnischen Hochschule 3liillchclI Neunte verbesserte Auflage Mit 244 Abbildungen und 69 Tabellen sowie 3 Dampf tafeln als Anlage Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1962

3 Additional material to this book can be downloaded from ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, insbesondere das der übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. vorbehaltefi. Ohne ausdrückliche ansdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch Bnch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen. Copyright 1936, 1944, 1950, 1953 by Springer-Verlag OHG., Berlin/Göttingen/Heidelberg. by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1956, 1958, 1960 and 1962 Ursprünglich erschienen bei Springer Verlag OHG., Beriin/GöttigenlHeidelberg Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 19862

4 Vorwort zur neunten Auflage. Die neunte Auflage ist ein durch Beseitigung einiger Druckfehler verbesserter Abdruek der aehten Auflage. Nur dic ~Wasserdampftafeln des Anhange~ sind etwas geändert in Übereinstimmung mit der im Druck befindliehen ß. Auflage der VDI-Wasserdnmpftafelll. Jlül/(:hell, im Novpmlwr Igrif. ]~rnst 8e1ullidL Vorwort zur achten Auflage. Die acht<: Auflage ist gegell die siebente nur wenig gcändcrt. Außer einigcn Verbct4senlllgen des Textes im Sinne der leichteren V crständlichkeit wurden die Abschnitte über l{aketenteehnik und Haumfahrt dem heutigen Stande angepaßt, dessen Ergebnisse in früheren Auflagen als möglich bezeichnet wurden. Ein Kapitel über den Plasmazustand der Materie und die Erreichung höchstcr Temperaturen wurde hinzugefügt. Die Tafeln der Eigem;chaftcll des vvasserdampfes sind entspreehen(l der lugo ersehiencnen 5. Auflage der VDI-vVasserdampftafeln bih zu Drüekpn von 500 at bei Temperaturen bis 800 C erweitert. Über die Notwendigkeit des Überganges zum neuen internationalen Maßsystem mit dpr siebenten Auflage sind die Ansiehten geteilt. Von engliseher Seite wurde dieser Sehritt beanhtandet. Sehwedisehe und Schwcizcr Kritiker bedauerten, daß die alten Einheiten des technisehen MaßsystenlR nicht ganz bcscitigt wurden. In Deutsehland folgten die Empfehlungen des wis:-;el1schaftliehen Beirats des Vereins Deutscher Ingenieure mcinem Vorgehen. Aber eß gibt auch Kreü.;e, dic das alte technische Maß8ystem fcsthalten wollen, um erst zum internationalen System überzugehen, wenn Tabcllen von Stoffwerten in den neuen Einheiten vorliegen. Nach reiflicher Überlegung und vielen Diskussioncn mit Vertretern verschiedener l{ichtungen haltc ieh den von mir eingeschlagenen mittleren Weg auch hcute noch für den riehtigen: Es wird das internationale System mit den Einheiten Meter, Kilogramm(Masse), Sekunde und Ampere zugrunde gelegt. Die Einheit der Kraft, das Newton, ist eine abgeleitete Größe. Stoffmengen sind in Kilogramm (Masse) angegeben und spezifische Größen werden auf diese Mengeneinheit bezogen. Dic bisherige Krafteinheit Kilogramm (Kraft) des technischen Maßsystems wird aber unter der Bezeichnung "Kilopond" ~weiter benutzt und als nichtdezimales Vielfaches des Newton definiert.

5 VI Vorwort zur siebenten Auflage. Wenn man Größengleichungen verwendet, wie das konsequent in diesem Buche geschieht, ist man nicht an ein bestimmtes Maßsystem gebunden, sondern kann Größen in beliebigen Einheiten einsetzen, wobei der Übergang von einer Einheit auf die andere mit Hilfe der bekannten Umrechnungsgleichungen nur eine algebraische Formalität ist. Gewiß wird auf diese Weise der große Vorteil eines kohärenten Einheitensystems, bei dem solche Umrechnungen fortfallen, noch nicht ganz erreicht. Aber das Buch soll nicht nur die Verfechter des neuen Systems befriedigen, sondern auch den noch in den Vorstellungen des technischen Maßsystems Lebenden dienen. Dazu kommt, daß die meisten Tabellen von Stoffeigenschaften noch in alten Einheiten vorliegen und ihre Umrechnung Zeit erfordert. Der junge Ingenieur von heute und morgen muß daher in zwei Sätteln reiten können und das wird ihm erleichtert, wenn die alten Einheiten wie das Kilopond, die Kilokalorie, die technische und physikalische Atmosphäre usw. nicht ganz verschwinden, sondern als nichtdezimale Vielfache der neuen Einheiten zunächst weiter verwendet werden. Zu einer völligen Ausschaltung nichtkohärenter Einheiten wird man nach meiner Ansicht niemals kommen, denn neben der Sekunde als der Zeiteinheit des internationalen Systems wird die Stunde mit der Umrechnungsgleichung 3600 sec = 1 h nicht zu vermeiden sein und auch nichtkohärente Längeneinheiten wie das Lichtjahr = 9, km oder die internationale Seemeile = 1852 m werden noch lange leben. Meiner Sekretärin, Frl. Hildegard Stautner, danke ich sehr für ihre Hilfe beim Lesen der Korrekturen. München, im März Ernst Schmidt. Vorwort zur siebenten Auflage. Dieser Auflage ist das von der 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahre 1948 empfohlene und inzwischen als "Internationales System" anerkannte Maßsystem mit den Einheiten Meter, Sekunde, Kilogramm-Masse, Ampere und Kelvingrad zugrunde gelegt. Damit ist das Kilogramm nicht mehr eine Krafteinheit, sondern die Einheit der Masse und der Stoffmenge. Alle spezifischen Größen sind auf die Masse und nicht mehr auf das Gewicht bezogen. Die Einheit der Kraft ist das Newton (N), d. h. die Kraft, die der Mas8e 1 kg die Beschleunigung 1 mjs2 erteilt. Das daneben weiter benutzte Kraftkilogramm wird Kilopond (kp) genannt und als nichtdezimales Vielfache8 des Newton mit Hilfe der Gleichung 1 kp = 9,80665 N definiert. Einheit der Energie und der Wärmemenge ist das als Joule (J) bezeichnete Newtonmeter. Daneben wird das Kilopondmeter und die Kilokalorie (meist die von den Internationalen Dampftafelkonferenzen eingeführte Internationale Tafelkalorie) als nichtdezimales Vielfaches des Joule entsprechend der Gleichung 1 kcalit = 4186,8 Joule weiter benutzt. Der

6 Vorwort zur ersten bis vierten Auflage. VII Kelvingrad ist durch die beim absoluten Nullpunkt beginnende thermodynamische Temperaturskala und den zu 273,16 K vereinbarten Tripelpunkt des Wassers festgelegt.. Möge diese grundlegende Umstellung des Buches mithelfen, den Übergang vom alten technischen Maßsystem zum Internationalen System zu erleichtern und die Kluft zwischen Physik und Technik in der Frage der Einheiten zu beseitigen. Neben dieser alle Abschnitte betreffenden Änderung wurden an zahlreichen Stellen Ergänzungen und Verbesserungen vorgenommen. München, im April Ernst Schmidt. Vorwort zur ersten bis vierten Auflage. Das vorliegende Buch ist ein Lehrbuch der technischen Thermodynamik, insbesondere für Studierende und zum Selbststudium. Es ist aus meinen Vorlesungen an der Technischen Hochschule Danzig hervorgegangen und behandelte in seinen ersten drei Auflagen die Thermodynamik etwa in dem Umfang, wie es in einer sich über zwei Semester erstreckenden Vorlesung möglich ist. Besonderes Gewicht wurde auf die sorgfältige Behandlung der Grundlagen gelegt. Vor allem der zweite Hauptsatz, dessen völlige Erfassung den Studierenden erfahrungsgemäß am meisten Schwierigkeiten macht, ist von verschiedenen Seiten her dargestellt, unter Benutzung hauptsächlich der Arbeiten von MAX PLANeK. Diese Auflage hat an vielen Stellen Umarbeitungen und Ergänzungen erfahren. Es sind die Strömungsmaschinen stärker betont, die Theorie des Strahlantriebes in seinen verschiedenen Anwendungsformen (Turbinentriebwerk, Schubrohr und Rakete) ist behandelt, und es werden die wichtigsten Beziehungen der Gasdynamik abgeleitet. In den letzten heiden Abschnitten wird schließlich ein kurzer Grundriß der chemischen Thermodynamik gegeben mit besonderer Betonung der Verbrennungsvorgänge. Diese Darstellung baut auf dem Maschinen Ingenieur geläufigen Begriffen und Vorstellungen auf und will ihm den Zugang zu einem Wissensgebiet erleichtern, das heute im Zeitalter des Chemie-Ingenieur-Wesens auch für ihn zunehmend an Bedeutung gewinnt. Damit sind Gebiete, die ursprünglich für einen zweiten Band gedacht waren, in dieses Buch mit aufgenommen, um sie dem Leser rascher zugänglich zu machen. Der Aufbau des Buches ist dem Bedürfnis des an den Anwendungen interessierten Ingenieurs angepaßt. Deshalb wird nicht erst das ganze Begriffssystem der Thermodynamik in axiomatischer Weise abgeleitet, sondern an die entwickelten Sätze werden jeweils die damit schon behandelbaren Anwendungen angeschlossen. Übungsaufgaben leiten zu eigenem Rechnen an.

7 VIII Vorwort zur ersten bis vierten Auflage. In der Thermodynamik wird bisher leider oft mit nicht dimensionsrichtigen Formeln gearbeitet, was die Umrechnung auf andere Einheiten sehr erschwert. 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. Der bei dimensionsrichtiger Schreibweise der Gleichungen überflüssige Faktor A des mechanischen Wärmeäquivalentes ist fortgelassen. In den Anwendungsbeispielen wurde versucht, dem Leser die Vorteile der dimensionsrichtigen Behandlung auch bei Zahlenrechnungen klarzumachen. Die Ausstattung mit Zahlenangaben für Stoffeigenschaften usw. ist reichlicher als sonst in Lehrbüchern üblich, um dem Leser die zur Lösung praktischer Aufgaben nötigen Unterlagen zur Hand zu geben und ihm für die meisten praktischen Fälle das Nachschlagen in Tabellenwerken zu ersparen. Das Auffinden solcher Zahlenwerte wird durch ein dem Inhaltsverzeichnis angefügtes Verzeichnis der Tabellen sowie durch ein ausführliches Namen- und Sachregister erleichtert. Alle Zahlenangaben stützen sich auf die genauesten verfügbaren Werte. Der Abschnitt über chemische Thermodynamik enthält ausführliche Tabellen zur Berechnung chemischer Gleichgewichte nach den neuesten amerikanischen Arbeiten. Auf Schrifttumsangaben im Text wurde im allgemeinen verzichtet, nur bei neueren Arbeiten, die noch nicht in die zusammenfassenden Darstellungen der Lehr- und Handbücher übergegangen sind, werden die Quellen angeführt. Zahlreichen Freunden und Kollegen danke ich für wertvolle Ratschläge und Berichtigungen, die ich bemüht war, bei der Neuauflage zu berücksichtigen. Herrn Dr.-Ing. C. Kux bin ich für das Mitlesen der Korrektur und für die Bearbeitung des Namen- und Sachverzeichnisses zu besonderem Dank verpflichtet. Dem Springer-Verlag danke ich für sein bereitswilliges Eingehen auf meine Wünsche und für die verständnisvolle und sorgfältige Ausführung des Buches. Braunschweig, im Februar Ernst Schmidt.

8 Inhaltsverzeichnis. Vorworte.... Inhaltsverzeichnis... Verzeichnis der Tabellen Liste (lei' Formelzeichen Seite V IX XV. XVII J. 'l'emperatur und "Värmemenge. 1. Einführung des Temperaturbegriffes, thermisches Gleichgewicht, die Temperaturskala des vollkommenen Gases 1 2. Die internationale Temperaturskala 4 3. Praktische Temperaturmessung 8 a) Flüssigkeitsthermometer. 8 b) Widerstandsthermometer.. 9 c) Thermoelemente 10 cl) Strahlungsthermometcr Maßsysteme und Einheiten. Größengleichungen 12 ii. Wärmemenge und spezifische Wärme Aufgabe Erster Hauptsatz der Wärmelehre. 6. Das mechanische \Värmeäquivalent. Energieeinheiten Aufgabe Das Prinzip der Erhaltung der Energie und die mechanische Deutung der \Värmeerseheinungen JII. Der thermodynamische Zustand eines Körpers. 8. Die thermische Zustandsgleichung. Zustandsgrößen 9. Äußere Arbeit, innere Energie und Enthalpie. 10. Die kalorischen Zustandsgleichungen IV. Das vollkommene Gas. 11. Die Gesetze von BOYLE-MARIOTTE und GAy-LuSSAc und die thermische Zustandsgleichung der vollkommenen Gase Die Gaskonstante und das Gesetz von AVOGADRo. Normtemperatur, Normdruck, Normzustand Die Zustandsgleichung von Gasgemischen Die Abweichungen der wirklichen Gase von der Zustandsgleichung des vollkommenen Gases Vi. Die spezifischen Wärmen und die kalorischen Zustandsgleichungen der vollkommenen Gase Die spezifischen Wärmen der wirklichen Gase Einfache Zustandsänderungen vollkommener Gase a) Zustandsänderung bei konstantem Volum oder Isochore 52 b) Zustandsänderung bei konstantem Druck oder Isobare. 53 c) Zustandsänderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme. 53 d) Adiabate Zustandsänderung e) Polytrope Zustandsänderung f) Logarithmische Diagramme zur Darstellung von Zustandsänderungen

9 x Inhaltsverzeichnis. Seite 18. Ermittlung des Temperaturverlaufes und des polytropen Exponenten bei empirisch gegebenen Zustandsänderungen Das Verdichten von Gasen und der Arbeitsgewinn durch Gasentspannung Aufgabe v. Kreisprozesse. 20. Die Umwandlung von Wärme in Arbeit durch Kreisprozesse Der Carnotsche Kreisprozeß und seine Anwendung auf das vollkommene Gas Die Umkehrung des Carnotschen Kreisprozesses VI. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre. 23. Umkehrbare und nicht umkehrbare Vorgänge Der Carnotsche Kreisprozeß mit beliebigen Stoffen Die Temperaturskala des vollkommenen Gases als thermodynamische Temperaturskala Beliebige umkehrbare Kreisprozesse, Arbeitsverlust bei nichtumkehrbaren Prozessen Die Entropie als Zustandsgröße. Das Clausiussche Integral des umkehrbaren Prozesses Die Entropie als vollständiges Differential und die absolute Temperatur als integrierender Nenner Ableitung des Wirkungsgrades des Carnotschen 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 Entropiediagramm der Gase Beweis der Unabhängigkeit der inneren Energie eines vollkommenen Gases vom Volum bei konstanter Temperatur Das Verhalten der Entropie bei nichtumkehrbaren Vorgängen. Der zweite Hauptsatz als das Prinzip der Vermehrung der Entropie Spezielle nicht umkehrbare Prozesse a) Reibung b) Wärmeleitung unter Temperaturgefälle. 107 c) Drosselung d) Mischung und Diffusion Die maximale Arbeit von physikalischen und chemischen Zustandsänderungen Aufgabe Statistische Deutung des zweiten Hauptsatzes a) Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit eines Zustandes 117 b) Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit c) Die endliche Größe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit, Quantentheorie, Nernstsches Wärmetheorem VII. Anwendung der Gasgesetze und der beiden Hauptsätze auf Gasmaschinen. 39. Der technische Luftverdichter 126 a) Schädlicher Raum, Füllungsgrad 126 b) Drosselverluste c) Liefergrad, Förderleistung, Wandungswirkungen, Undichtheiten. 129 d) Mehrstufige Verdichter e) Wirkungsgrade Die Heißluftmaschine und die Gasturbine 132

10 Inhaltsverzeichnis. Seite 41. Die Arbeitsprozesse bei Verbrennungsmotoren 138 a) Das Otto- oder Verpuffungsverfahren b) Das Diesel- oder Gleichdruckverfahren c) Der gemischte Vergleichsprozeß d) Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Vergleichsprozeß; Wirkungsgrade Die Berücksichtig~!1g der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmen und der Anderung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels bei Gasmaschinenprozessen Aufgabe VIII. Die Eigenschaften der Dämpfe. 43. Gase und Dämpfe, der Verdampfungsvorgang und die p, v, T-Diagramme Die kalorischen Zustandsgrößen von Dämpfen Tabellen und Diagramme der Zustandsgrößen von Dämpfen 46. Einfache Zustandsänderungen von Dämpfen.... a) Isobare Zustandsänderung. b) Isochore Zustandsänderung c) Adiabate Zustandsänderung d) Drosselung Die Gleichung VOll CLAUtUUS uml CLAl'EYRON 48. Das schwere Wasser Aufgabe IX. Das Erstarren und der feste Zustand. 49. Das Gefrieren und der Tripelpnnkt Die spezifische Wärme fester Körper Der Absolutwert der Entropie und der Nernstsche Wärmesatz (JO. x. Anwendungen auf die Dampfmaschine. Die theoretische Arbeit des Dampfes in der Maschine.... Wirkungsgrade, Dampf- und Wärmeverbrauch Der Einfluß von Druck und Temperatur auf die Arbeit des Clausius- Rankine-Prozesses ,.... Die Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Arbeitsprozeß.... a) Verluste durch Wärmeströmung unter Temperaturgefälle 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 übertragung des Indikatordiagrammes in das '1', 8-Diagramm.. Der Wärmeübergang im Zylinder und die Vorteile des überhitzten Dampfes.... Konstruktive Maßnahmen zur Verminderung der Wandverluste a) Der Dampfmantel.... b) Die mehrstufige Expansion und die Zwischenüberhitzung.. c) Die Gleichstrommaschine.... Besondere Arbeitsverfahren a) Die Verwendung von Dampf in der Nähe des kritischen Zustandes 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 XI W3 168 W9 W

11 XII Inhaltsverzeichnis. 61. Die Umkehrung der Dampfmaschine... a) Die reversible Heizung und die Wärmepumpe b) Die Kaltdampfmaschine als Kältemaschine.. Aufgabe XI. Zustandsgleichungen von Dämpfen. Seite Die van der Waalssche Zustandsgleichung Zustandsgleichungen des Wasserdampfes Die Beziehungen der kalorischen Zustandsgrößen zur thermischen Zustandsgleichung Die Entropie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die Enthalpie und die innere Energie als ]'unktion der einfachen Zustandsgrößen Die spezifischen Wärmen als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die Ermittlung der kalorischen und der thermischen Zustandsgleichung aus kalorischen Messungen XII. Die Verbrennungs erscheinungen. 69. Allgemeines, Grundgleichungen der Verbrennung, Heizwerte Sauerstoff- und Luftbedarf der vollkommenen Verbrennung, Menge und Zusammensetzung der Rauchgase a) Feste und flüssige Brennstoffe b) Gasförmige Brennstoffe Die Beziehungen zwischen der Zusammensetzung dp,r trockenen Rauchgase, der Zusammensetzung des Brennstoffes und dem Luftverhältnis Die Abhängigkeit der Verbrennungswärme von Temperatur und Druck Verbrennungstemperatur und Wärmeinhalt (Enthalpie) der Rauchgase Das i, I-Diagramm und die näherungsweise Berechnung der Verbrennungsvorgänge Unvollkommene Verbrennung Einleitung und Ablauf der Verbrennung Das Klopfen von Verbrennungsmotoren 257 Aufgabe Xill. Strömende Bewegung von Gasen und Dämpfen. 78. Laminare und turbulente Strömung Geschwindigkeitsverteilung und mittlere Geschwindigkeit Kontinuitätsgleichung, Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie Meßtechnische Anwendungen, Staurohr, Düse und Blende Enthalpie und kinetische Energie der Strömung Die Reibungsarbeit der Strömung Die Strömung eines vollkommenen Gases durch Düsen und Mündungen Die Schallgeschwindigkeit in Gasen und Dämpfen Die erweiterte Düse nach DE LAVAL Andere Behandlung der Düsenströmung Die Lavaldüse bei unrichtigem Gegendruck 284 Aufgabe Verdichtungsstöße a) Der gerade Verdichtungsstoß b) Der schräge Verdichtungsstoß 294 XIV. Strömungsmaschinen. 89. Allgemeines, Arbeitsumsatz bei strömendem Gas Die Stufe einer Strömungsmaschine. Geschwindigkeitsdiagramme Reaktionsgrad. Aktions- und Reaktionsturbine Das Mollierdiagramm der vielstufigen Strömungsmaschine. Einfluß der Verluste auf das wirksame Enthalpiegefälle Der Einfluß der endlichen Schaufellänge

12 Inhaltsverzeichnis. XIII XV. Thermodynamik des Raketenantriebes. 94. Allgemeines. Schub und Impuls eines Strahles 95. Raketentreibstoffe und ihre Bewertung 96. Die Strömung in der Düse einer Rakete 97. Wirkungsgrad des Raketenantriebes Bewegung der Rakete a) Die Rakete im schwerefreien Raum b) Die Rakete im Schwerefelde Möglichkeit der Weltraumfahrt... XVI. Thermodynamischer LuftstrahlalltI"ieb Allgemeines, innerer und äußerer Wirkungsgrad 101. Das Schubrohr (Lorin-Düse) Der Turbinen-Strahlantrieb..... a) Der Turbinenstrahlantrieb im Stand b) Der Turbinenstrahlantrieb im Fluge c) Leistungssteigerung durch Zusatzverbrennung XVII. Die Grundbegriffe der Wärmeiibertraguug Allgemeines Stationäre Wärmeleitung Wärmeübergang und Wärmedurchgang Nicht stationäre Wärmeströmungen Die Ähnlichkeitstheorie der Wärmeübertragung. 3üO 108. Wärmeübergang und Strömungswiderstand 8ß Einzelprobleme der Wärmeübertragung ohne Zustandsänderung des Mittels a) Aufgezwungene Strömung b) Freie Strömung : Wärmeübertragung beim Kondensieren und Verdampfen. 3H Wärmeübertrager. Gleichstrom, Gegenstrom, Kreuzstrom 3sn a) Gleichstrom 387 b) Gegenstrom U c) Kreuzstrom a90 XVIII. Die Wärmciibertragung (lurch Strahluug Grundbegriffe, Gesetz von Kirchhoff. Emissionsverhältnis bei festen Körpern und bei Gasen Die Strahlung des schwarzen Körpers Die Strahlung technischer Oberflächen U 115. Der Wärmeaustausch durch Strahlung Die Strahlung beim Wärmedurchgang durch Luftschichten 405 Aufgabe XIX. Dampf-Gas-Gemische Allgemeines Das i, x-diagramm der feuchten Luft nach MOLLIER a) Enthalpieänderung bei gleichbleibendem Wassergehalt b) Mischung zweier Luftmengen.... c) Zusatz von Wasser oder Dampf d) Feuchte Luft streicht über eine Wasser- oder Eisfläche 119. Der Stoff transport durch Diffusion Stoffaustausch und Wärmeübergang.... XX. Die Anwendung des I. und II. Hauptsatzes der Thermodynamik auf chemische Vorgänge Einleitung, maschinentechnische und chemische Thermodynamik 122. Innere Energie und Enthalpie Energieumsatz bei chemischen Reaktionen Seite

13 XIV Inhaltsverzeichnis. Seite 124. Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenergien Das Gesetz der konstanten Energiesummen Thermodynamisches und chemisches Gleichgewicht. Unvollständigkeit des Ablaufes chemischer Reaktionen. Das Prinzip von LE CHA TEllER und BRAUN Beispiele für die reversible, isotherme Durchführung chemischer Reaktionen Ein thermisch-mechanisches Modell der reversiblen chemischen Reaktion Die reversible Durchführung beliebiger homogener Gasreaktionen Chemisches Gleichgewicht und Massenwirklmgsgesetz Kinetische Deutung des Massenwirkungsgesetzes Entropie, freie Energie und freie Enthalpie bei chemischen Reaktionen 447 XXI. Das Nernstsche Wärmetheorem oder der dritte Hauptsatz der Wärmelehre Die Gibbs-Helmholtzschen Gleichungen. Die Temperaturabhängigkeit der reversiblen Arbeit und der Gleichgewichtskonstanten Der dritte Hauptsatz der Wärmelehre in der Fassung von N ERNST und PLANeK Die Verdampfung als chemische Reaktion und die chemische Konstante Die praktische Ermittlung und die zweckmäßige Darstellung der Temperaturabhängigkeit von Gleichgewichtskonstanten und des Dampfdruckes reiner Stoffe Heterogene Reaktionen Tabellen für Reaktionen bei Verbrennungs- und Vergasungsvorgängen Ausbeute einer chemischen Reaktion. Reaktionsgrad, Dissoziat.ionsgrad Die Verbrennung fester Kohle als heterogene Reaktion Der Generator zur Kohlenoxyderzeugung Die Dissoziation von Kohlendioxyd und Wasserdampf Das Wassergasgleichgewicht und die Zersetzung von Wasserdampf durch glühende Kohle Die Dissoziation der Verbrennungsgase eines Kohlenwasserstoffes Der Plasmazustand der Materie und die Erreichnng sehr hoher Temperaturen Anhang: Dampf tabellen und Tafeln. Tabelle la und Ib. Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung 510 U a. Zustandsgrößen v, i und 8 von Wasser und überhitztem Dampf 518 Ub. Zustandsgrößen des Wasserdampfes im idealen Gaszustand 524 Ur. Zustandsgrößen von Ammoniak, NHs bei Sättigung 525 IV. Zustandsgrößen von Kohlensäure, CO 2 bei Sättigung TafelA. Mollier-(i, 8)-Diagramm von Wasserdampf " B. Mollier-(log p, i)-diagramm von Ammoniak.. " C. i, x-diagramm der feuchten Luft nach MOLLIER.} Befinden sich am. Schluß des Buches in der Tasche. Lösungen der Aufgaben. Schrifttumsverzeiehnis Namen- und Sachverzeichnis

14 Verzeichnis der Tabellen. ~ ~~ 1. Thermometrische Festpunkte Mutterteilungen für Quecksilberthermometer Berichtigungsfaktor c für den herausragenden Quecksilberfaden Thermokraft und ungefähre höchste Verwendungstemperatur von MetalIpaaren für Thermoelemente Einheiten verschiedener Maßsysteme Umrechnung von Druckeinheiten Spez. Wärme von Wasser bei 760 mm Torr Umrechnung von Energieeinheiten Werte VOll ~;, für Luft Werte von ~; für Wasserstoff ' Dichte und spezifische Wärme von Gasen Wahre spezifische Wärme ~ VOll Gasen bei verschiedenen Temperaturen Mittlere spezifische Wärme [~p] J von Gasen zwischen 0 oe und t..... Mittlere spezifische Wärme der I,nft zwischen 0 und 100 bei verschiedenen Drücken Adiabate und polytrope Expansion von Gasen Entropiedifferenz 131!O der Gase zwischen 0 oe und t Ergebnisse von 432 Würfen mit zwei Würfeln.. Thermodynamische Wahrscheinlichkeit W der Verteilung von N Molekeln auf zwei Raumhälften Theoretische Wirkungsgrade des Ottomotors Theoretische Wirkungsgrade des Dieselmotors Differenz der inneren Energie U zwischen 0 oe und t für einige GaRt' Differenz der Enthalpie J' zwischen 0 0 und für t einige Gase Differenz der Entropie ISv zwischen 0 0 und t für einige Gase Kritische Daten einiger Stoffe Spezifische Wärme von Eis Arbeit L von 1 kg Dampf und Wirkungsgrad 11th des elausius-rankine Prozesses der Dampfmaschine in Abhängigkeit von Druck und Überhit zungstemperatur Heizwerte der einfachsten Brennstoffe Zusammensetzung und Heizwert fester Brennstoffe Verbrennung flüssiger Brenn- und Kraftstoffe Verbrennung einiger einfacher Gase Zusammensetzung der trockenen atmosphärischen Luft Verbrennung einiger technischer Heizgase Gasluftgemische, Zündgrenzen und Entzündungstemperatur Durchflußzahlen für Normdüse, für Normventuridüse und für Normblende bei verschiedenem Öffnungsverhältnis Kritische oder Laval-Druckverhältnisse Erweiterungsverhältnis und Geschwindigkeitsverhältnis bei Lavaldüsen. Verhältnisse der Drücke, Temperaturen, Geschwindigkeiten und Quer schnitte bei Lavaldüsen für vollkommene Gase Eigenschaften von flüssigen Sauerstoff trägern.... Eigenschaften von Brennstoffen und Sprengstoffen als Treibmittel für Ra keten.... Eigenschaften fester Brennstoffe für Raketen

15 XVI Verzeichnis der Tabellen. Nr. 4,1. Beziehungen zwischen den dimensionslosen Veränderlichen beim Raketenflug im schwerefreien Raum Innerer Wirkungsgrad des Schubrohres 43. Äußerer Wirkungsgrad des Schubrohres 44. Wärmeleitzahlen Rechnerische Durchführung des Differenzenverfahrens nach E. SCHMlDT 46. Konstanten der Gleichung des Wärmeüberganges am quer von Luft angeströmten Rohr nach HILPERT Mittlere Anhaltswerte für die Wärmeübergangszahl IX an siedendes Wasser von Dimensionslose mittlere Austrittstemperatur bei Kreuzstrom Wärmetechnische Stoffwerte Emissionsverhältnis en der Strahlung in Richtung der Flächennormalen und e der Gesamtstrahlung für verschiedene Körper Temperaturfaktor a = (T /100)4-1 T (T /100)4 T 1 zur Berechnung des Strahlungsaustausches Auf teilung des Wärmedurchganges durch eine Luftschicht von 20 0 Mitteltemperatur bei Begrenzung durch Oberflächen hoher Strahlungszahl Seite (e = 0,90) und niederer Strahlungszahl (Aluminium e = 0,05) Teildruck, Dampfgehalt und Enthalpie gesättigter feuchter Luft Zahlenwerte der grundlegenden Konstanten Molwärmen einiger Gase beim Drucke 0 und von Kohlenstoff als Graphit und Diamant Enthalpien einiger Gase beim Drucke 0 und von Graphit und Diamant Entropien einiger Gase im idealen Gaszustand bei 1 Atm und von Graphit und Diamant Enthalpiefunktion (0'-0'o)/T einiger Gase beim Drucke 0 und von Graphit und Diamant Freie Enthalpiefunktion (GJ - 0'o)/T einiger Gase beim Drucke 0 und von Graphit und Diamant Reaktionsenthalpie und freie Reaktionsenthalpie einiger Verbindungen von Elementen Gleichgewichtskonstanden log K p und K p einiger Reaktionen u. 63. Reaktionsenthalpie und freie Reaktionsenthalpie einiger Reaktionen 64. Gleichgewichtskonstanten log K p und K p einiger Reaktionen mit C und CO Gleichgewichtskonstanten log K"{! und K p einiger Gasreaktionen mit CH Änderung der Enthalpie und der treien Enthalpie bei der Umwandlung von Graphit in Diamant bei Atmosphärendruck Enthalpien und absolute Entropien von NO, OH, Hund O Gleichgewichtskonstanten von Reaktionen mit NO, OH, Hund Gleichgewichtskonstante und Molverhältnis der CO-Bildung im Gasgenerator in Abhängigkeit von Temperatur und Druck

16 Liste der Formelzeichen. (Die Maßeinheiten sind in eckigen Klammern hinzugefügt. Größen, bei denen diese Angabe fehlt, sind dimensionslos.) 1. Lateinische und deutsche Buchstaben. 'Fettgedruckte lateiuische Buchstaben bezeichnen universelle Konstanten der Physik, Deutsche Buchstaben sind benutzt für Vektoren und für auf das Mol als Mengeneinheit bezogene thermodynamische Größen. A A A rev a a a a). B b C c c c c p Cv 0:, 0:p' ~v D D d E e F,I F f lj G G g g 9 H H,Ho H u ~, ~o, ~u h h Absorptionszahl bei Strahlungsvorgängen zugeführte Arbeit [J] [mkp], [kcal] reversible zugeführte Arbeit der isothermen chemischen Reaktion [J] [kcal] Ausströmgeschwindigkeit bei Raketen [m(s) Kohäsionskonstante der van der Waalsschen Zustandsgleichung [kp(m4] Temperaturleitzahl [m2(h] Absorptionskoeffizient der Wellenlänge Brennstoffverbrauch [kg(h] Kovolum in der van der Waalsschen Zustandsgleichung [m3(kg] Strahlungszahl [kcal(m2hgrd4] - des schwarzen Körpers [kcal(m2hgrd4] Strahlungsaustauschzahl [kcal(m2 hgrd 4] Geschwindigkeit, Schallgeschwindigkeit, absolute Geschwindigkeit des Arbeitsmittels bei Strömungsmaschinen [m(s] Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum [m(sec] Konzentration [kg(m3], [kmol(m3] spezifische Wärme [kcal(kg grd] - - bei konstantem Druck [kcal(kg grd] - - bei konstantem Volum [kcal(kg grd] Molwärmen [kcal(kmol grd] Durchlaßzahl bei Strahlungsvorgängen Diffusionskonstante [m2(h] Durchmesser, Bezugslänge [m] ausgestrahlte Energie [kcal(m 2 h] elektromotorische Kraft [Volt] Fläche [m2] freie Energie [J] [kcal] spezifische freie Energie [J (kg 1 [kcal(kg] molare freie Energie [kcal(mol] Gewicht [N] [kp] freie Enthalpie (Gibbssches thermodynamisches Potential) [kcal] spezifische freie Enthalpie [J jkg] [kcaljkg] molare freie Enthalpie [kcal(mol] Fallbeschleunigung [mjs2] Verhältnis von Stoffmengen Diffusionsstromdichte [kgjm2 h], [kmoljm 2 h] Flächenhelligkeit, Intensität der Strahlung [kcaljm 2 h] Heizwert, oberer, unterer [kcaljkg] Heizwert je Mol, oberer, unterer [kcaljkmol] spezifische Hubarbeit [Jjkg] [kcaljkg] Plancksches Wirkungs quantum

17 XVIII i., "" /11 ~,~,~ S' i L11 j Kp K e K" k k L m L mt Lmin l l.2 M m m m' N N N n n P Pk Pr p' P. Q Qrev q 0. q ql qt R R R R r r r r 8 L ', s", s'" 8abs 8 T Liste der Formelzeichen. Wärmegefälle [kcaljkg] - der Leitschaufeln [kcaljkg] - der Laufschaufeln [kcaljkg] Pla,ncksches Wirkungsquantum [erg sec], [cal sec] Enthalpie, Wärmeinhalt [J] [kcal] spezifische Enthalpie [Jjkg] [kcaljkg] - - auf den Phasengrenzkurven [kcaljkg] molare Enthalpie [Jjmol] [kcaljmol] Wärmeinhalt der Rauchgase [kcaljnm3] Reaktionsenthalpie je Formelumsatz [kcal] chemische Konstante Gleichgewichtskonstante (mit Teildrücken) [(Atm)v] - (mit Konzentrationen) [(moljcm 3 ).] - (mit Molenbrüchen) Wärmedurchgangszahl [kcaljm2 hgrd] Boltzmannsche Konstante [kcaljgrd] geleistete Arbeit (L = - A) [mkp], [kcal] maximale Arbeit [J] [mkp], [kcal] maximale technische Arbeit [mkp], [kcal] Mindestluftmenge der vollständigen Verbrennung [nm3jkg], [nmsjnms] Länge [m] Luftgehalt von Rauchgasen molare Verdampfungswärme [kcaljkmol] Molekulargewicht Masse [kg] Öffnungsverhältnis von Düsen und Blenden Mengenstrom [kgjs] Anzahl der Moleküle Loschmidtsche Zahl [I/mol], [l/kmol] Leistung [mkp/s], [kw], [PS] Polytropenexponent Atomdruck [Atm] Druck [N/m2] [kp/m2], [at], [Atm] kritischer Druck [kp/cm2] reduzierter Druck Sättigungsdruck der Verdampfung [kp/m2] Lavaldruck [kp/m2] zugeführte Wärme [kcal] reversibel und isotherm zugeführte Wärme [kcal] spezifische zugeführte Wärme [kcal/kg] Wärmestrom [kcaljh] Wärmestromdichte [kcal/m2h) - bei laminarer Strömung [kcal/m2 h] - bei turbulenter Strömung [kcal/m2 h] Reflexionszahl der Strahlung Gaskonstante [m2 js2grd] [mkp/kggrd] Universelle Gaskonstante [m2 /s 2 grd] [mkpjkmol grd], [erg/grd] Reibungsarbeit [mkp] Radius [m] Reaktionsgrad der Turbine elektrischer Widerstand spezifische Verdampfungswärme [kcal/kg] Entropie [kcal/grd] Reaktionsentropie je Formelumsatz [kcal/grd] Schub einer Rakete [kp] spezifische Entropie [kcal/kg grd] - - an den Phasengrenzkurven [kcal/kg grd] Absolutwert der spezifischen Entropie [kcal/kg grd] spezifischer Schub einer Rakete [kps/kg], [m/s] absolute Temperatur [OK]

18 u u', u", u'" u 11 V v V V', Vif, Vl/' Vk Vr Vd ~ W JV W p W" w w X c Liste der Formelzeichen. XIX Abbranddauer der Rakete eh] kritische Temperatur [OK] reduzierte Temperatur Sättigungstemperatur [OK] Zeit es], eh] Temperatur über Eispunkt [00] innere Energie [J] [kcal] spezifische innere Energie [Jjkg] [kcaljkg] auf den Phasengrenzkurven [kcaljkg] Geschwindigkeitskomponente, Umfangsgeschwindigkeit bei Strömungsmaschinen [mjs] molare innere Energie [kcaljkmol] Volum [m3] Geschwindigkeitskomponente [m/s] spezifisches V olum [m3 jkg] - - auf den Phasengrenzkurven [m3jkg] kritisches spezifisches V olum reduziertes spezifisches Volum [m3/kg] spezifisches Volum des Dampfes [m3 jkg] Molvolum [m3jkmol] thermodynamische Wahrscheinlichkeit Widerstand einer Strömung [kp] Wärmetönung bei konstantem Druck [ [kcal] Wärmetönung bei konstantem Volum [kcal] Geschwindigkeitskomponente, Relativgeschwindigkeit bei Strömungsmaschinen [m/s] Lavalgeschwindigkeit, Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt [mjs] elektrischer Widerstand [0] Dampfgehalt, Feuchtegrad, Molenbruch 2. Griechische Buchstaben Durchflußzahl - der Normblende - der Normdüse - der Normventuridüse Ausdehnungskoeffizient [l/grd] Wärmeübergangszahl [kcaljm 2 hgrd] - der Strahlung [kcaljm2hgrd] Brennstoffverhältnis Spannungskoeffizient [ljgrd] spezifisches Gewicht [kpjm3] Wandstärke, Kantenlänge des Impulsraumes [m], [cm] Verdichtungsverhältnis Verhältnis des schädlichen Raumes zum Hubvolum Emissionsverhältnis - der Wellenlänge A Leistungsziffer von Kältemaschinen Expansionsverhältnis bei Ausfluß Verlustziffer, Berichtigungsfaktor für Zähigkeit bei Ausfluß Schubverhältnis der Rakete Wirkungsgrad dynamische Zähigkeit [kp sjm 2 ] Temperatur [OC], [OK] Verhältnis der spezifischen Wärmen Liefergrad von Kolbenmaschinen Luftverhältnis bei der Verbrennung Reaktionsgrad eines chemischen Umsatzes Wellenlänge der Strahlung [cm] Erzeugungswärme des Dampfes [kcal/kg]

19 XX Liste der Formelzeichen. A Wärmeleitzahl [kcaljm h grd] A 8 scheinbare Wärmeleitzahl der Strahlung [kcaljm h grd] Ak - - der Konvektion [kcaljm h grd] A,. wirksame Wärmeleitzahl einer Gasschicht [kcaljm h grd] f1- Füllungsgrad von Kolbenmaschinen f1- Einschnürungszahl bei der Strömung durch Blenden f1- Massenverhältnis bei Raketen 11 Frequenz [ljsec] 11 Schnellaufzahl von Turbomaschinen 11 Geschwindigkeitsverhältnis der Rakete 11 Molzahl bei chemischen Reaktionen 11 Brennstoffkennzahl für den Stickstoffgehalt 11 kinematische Zähigkeit [m2jsec] ~ Widerstandsziffer ]I; dimensionsloser Druck e Dichte [kgjm 3 ] Q innere Verdampfungswärme [kcaljkg] (] Brennstoffkennzahl für den Sauerstoffbedarf (] Strahlungszahl des schwarzen Körpers [kcaljm2 h grd4] (] Verdunstungszahl [kgjm2 h] T dimensionslose Temperatur T Schubspannung [kpjm2], [kpjcm 2 ] Tl -, in laminarer Strömung Tt -, in turbulenter Strömung Tt Rückgewinnfaktor der Turbine T v Zusatzverlustfaktor des Turboverdichters gj Einspritzverhältnis bei Dieselmotoren gj Geschwindigkeitsziffer gj relative Feuchte X Kompressibilitätskoeffizient [m 2 jkp] Ij! Sättigungsgrad Ij! äußere Verdampfungswärme [kcaljkg] Ij! Ausflußfunktion Ij! Machscher Winkel Ij! Drucksteigerungsverhältnis bei Dieselmotoren Q Raumwinkel w dimensionslose Geschwindigkeit