Thermodynamik mit Mathcad

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1 Thermodynamik mit Mathcad von Prof. Dr.-Ing. Michael Reimann Oldenbourg Verlag München

2 Inhalt Vorwort V Einleitung 1 1 Grundbegriffe Das thermodynamische System > Zustandsgrößen und Prozessgrößen <> Auswirkungen von Prozessgrößen auf den Systemzustand <> Thermische Zustandsgrößen und Zustandsgieichungen -,, Volumen und Volumenstrom Druck >...-> Temperatur " Thermische Zustandsgieichungen >... 3().5 Kalorische Zustandsgrößen und Zustandsgieichungen >...-4l.5.1 Innere Energie und Enthalpie... 4l.5.2 Kalorische Zustandsgieichungen > Prozessgrößen >... $8.6.1 Arbeit -,..,-S Energietransport durch Massen- oder Stoffströme Wärmestrom,...-?l 2 Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie?7 2.1 Treibende Gefälle <...-?7 2.2 Allgemeine Formulierung der Erhaltungssätze ',...-? Beeinflussung des Systems ->,..-? Massenerhaltung,...-8o Impulserhaltung >...-8l Energieerhaltung: Der Erste Hauptsatz -,.., ^3 2.3 Sonderfälle der Erhaltungssätze >...-^ Geschlossene Systeme,...-^ Stationäre Systeme \...-% 2.4 Aufspaltung von kalorischen Energiedifferenzen in reversible Arbeit und Dissipation \...1O6

3 VIII Inhalt 3 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Phänomenologische Annäherung: Irreversible und reversible Vorgänge Vollkommen irreversible Vorgänge Reversible Vorgänge Zusammenfassende Bemerkung Entropie, freie Energie und freie Enthalpie Reversible Prozessführung im System Zylinder/Kolben Adiabate Kompression/Expansion mit Reibung Die Entropie als Zustandsgröße Kompression/Expansion mit Wärmeaustausch mit der Umgebung Definitionen der freien Energie und der freien Enthalpie Entropie im verallgemeinerten, offenen System Innere und äußere Einwirkungen bei instationären Strömungen Entropiestrombilanz für allgemeine, offene Systeme Zustandsgieichungen der Entropie Entropiegleichungen für ein allgemeines Fluid Entropiegleichungen des idealen Gases Entropiegleichung des inkompressiblen Fluids und Festkörpers Das 7>Diagramm Die Anwendung der Entropiestrombilanz auf verschiedene Systeme Irreversibilität von instationären Vorgängen Irreversibilität in geschlossenen Systemen Irreversibilität in stationären Systemen Exergie und Anergie Einführende Bemerkungen Exergie im Zylinder/Kolben-System Exergie im durchströmten, stationären System Das Sankey-Diagramm und das Exergie-Anergie-Flussbild Exergie und Exergieverluste im allgemeinen instationären System Wärmeübertrager Allgemeine Eigenschaften Gleichstrom-Rekuperator Gegenstrom-Rekuperator Wärmeübertrager mit R t = Irreversibilität in Wärmeübertragern Der Carnot-Prozess Allgemeine Bemerkungen zu Kreisprozessen Der reversible Kreisprozess oder Carnot-Prozess Historischer Exkurs: Der Ursprung des Zweiten Hauptsatzes Zustandsänderungen idealer Gase Voraussetzungen 173

4 Inhalt IX 4.2 Einfache Zustandsänderungen idealer Gase mit c p = const Die Isobarep = const. nach der einfachen Theorie Die Isochore v = const. nach der einfachen Theorie Die Isotherme T= const. nach der einfachen Theorie Die Isentrope s = const. nach der einfachen Theorie Die Polytrope n = const. nach der einfachen Theorie Darstellung von Zustandsänderungen imp, V- und im 7>-Diagramm Zustandsänderungen idealer Gase mit c p = c p (T) Isobarep = const. nach der erweiterten Theorie Isochore v = const. nach der erweiterten Theorie Isotherme T= const. nach der erweiterten Theorie Isentrope s = const. nach der erweiterten Theorie Polytrope v = const. nach der erweiterten Theorie Zustandsänderungen mit dissipativen Vorgängen Reibungsvorgänge im Zylinder/Kolben-System Dissipation in einfach durchströmten Systemen Strömungen in Düsen und Diffusoren Schallgeschwindigkeit und Machzahl Energieerhaltung in Düsen und Diffusoren Durchströmung von konvergenten Düsen Überschallströmungen in Laval-Düsen Reale Durchströmung von Düsen und Diffusoren Düsen und Diffusoren mit Reibung nach der erweiterten Theorie Kreisprozesse mit idealen Gasen Offene und geschlossene Prozesse Vergleichsprozesse für die Gasturbinenanlage: Der Joule-Prozess Der einfache Joule-Prozess Thermodynamische Verbesserung des Joule-Prozesses Das Strahltriebwerk Innere und äußere Verluste beim Gasturbinenprozess Umkehrung des Joule-Prozesses: Die Kaltgas-Kältemaschine Der Gasturbinenprozess mit c p = c p (T) Vergleichsprozesse für Stirling-Maschinen Der Stirling-Motor Die Stirling-Kaltgas-Kältemaschine Vergleichsprozesse für Verbrennungsmotoren Allgemeine Bemerkungen Der Gleichraumprozess Der Gleichdruckprozess Der Seiliger-Prozess Zusammenfassende Diskussion der Vergleichsprozesse Innerer und äußerer Wirkungsgrad des realen Verbrennungsmotors 284

5 X Inhalt 6 Reale Fluide mit Phasenwechsel Der Realgasfaktor 6.2 Experimenteller Befund der Verflüssigung, weitere Phasenwechsel Latente Wärme des Phasenwechsels, Gleichung von Clausius-Clapeyron Van-der-Waals-Zustandsgleichung Thermodynamisch konsistente, kanonische Zustandsgieichungen Abgrenzung des Zweiphasengebiets, Maxwell-Kriterium Programme zur Berechnung von Zustandsgrößen Die Zustandsgieichung IAPWS-IF97 für Wasser und Wasserdampf Das Programmpaket CoolPack für Kältemittel Zustände und einfache Zustandsänderungen im Zweiphasengebiet Dampfgehalt Die Isobare/? = const. im Nassdampfgebiet Die Isotherme T= const. im einphasigen Gebiet Die Isochore v = const. im Nassdampfgebiet Die Isentrope s = const. im Nassdampfgebiet Die Isenthalpe h - const Kreisprozesse mit Dämpfen Der einfache Clausius-Rankine-Prozess Verbesserung des Clausius-Rankine-Prozesses Zwischenüberhitzung Regenerative Speisewasservorwärmung Kälteprozesse Der einfache Kaltdampfprozess Verbesserungen des Kaltdampfprozesses Der Linde-Prozess zur Luftverflüssigung Feuchte Luft Bezeichnungen und Definitionen Die Dichte feuchter Luft Das /z,x-diagramm Zustandsänderungen feuchter Luft Lufttrocknung Mischvorgänge Wechselwirkung zwischen einer Wasseroberfläche und feuchter Luft Technische Verbrennung Allgemeine Bemerkungen

6 Inhalt XI 9.2 Stoffmengenberechnungen bei Verbrennungsvorgängen Gasförmige Brennstoffe Flüssige und feste Brennstoffe Energieumwandlung bei Verbrennungsprozessen Heizwert und Brennwert Reaktions- und Bildungsenthalpien Energiebilanzen Prozesse mit innerer Verbrennung Entropieproduktion und Exergie bei Verbrennungsprozessen Chemisches Potential, Affinität und Entropieproduktion Reversible chemische Reaktionen Brennstoffzellen Exergieverlust bei der adiabaten Verbrennung Anhang Thermodynamische Basisdaten für chemische Reaktionen Koeffizientenmatrix für ideale Gase Erste Schritte mit Mathcad Vorbemerkung Grundlagendes Editierens und das Arbeiten mit Einheiten Grundlagen für das Arbeiten mit Matrizen Grundlagen bei der Erstellung von Programmblöcken Erstellung von Diagrammen Symbolische Entwicklungen Bezug zu anderen Arbeitsblättern und Ausblenden von Regionen Einfügen von externen Daten 497 Lehrbücher der Thermodynamik 499 Nachweise 501 Index 503