Thermodynamik für Maschinenbauer

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

2 Wolfgang Geller Thermodynamik für Maschinenbauer Grundlagen für die Praxis 5., ergänzte Auflage

3 Wolfgang Geller Lohmar, Deutschland Springer-Lehrbuch ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliogra e; detaillierte bibliogra sche Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000, 2003, 2005, 2006, 2015 Das 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, Mikrover lmungen 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 Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort zur 1. Auflage Das vorliegende Buch wurde für die Studierenden des Maschinenbaus an Fachhochschulen und technischen Universitäten geschrieben. Darin eingeflossen sind die didaktischen Erfahrungen, die der Verfasser bei seiner Lehrtätigkeit an der Fachhochschule Köln gesammelt hat. Der dargebotene Stoff ist auf das für den Maschinenbauingenieur Wesentliche abgestimmt. Besonderer Wert wurde auf eine klare und verständliche Darstellung gelegt. Zahlreiche Bilder, Diagramme und Beispielrechnungen helfen dem Leser, die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen und Sicherheit in ihrer Anwendung zu erlangen. Das Buch ist deshalb auch zum Selbststudium geeignet. Vielleicht weckt das Buch bei einer Reihe von Lesern den Wunsch nach Erweiterung und Vertiefung des hier dargebotenen Wissens. In diesem Fall bietet das Literaturverzeichnis am Ende des Buches einen Wegweiser durch die Fülle der Bücher über Thermodynamik. Ein Wort des Dankes gilt an dieser Stelle meinem Kollegen Herrn Dr. rer. nat. G. Engelmann. Er hat durch seine Hinweise und Ratschläge sowie durch das Mitlesen der Korrektur meine Arbeit unterstützt. Herr cand. rer. nat. B. Sadler und mein Sohn Hendrik haben bei der Anfertigung der Vektorgrafiken und des Sachverzeichnisses tatkräftige Hilfe geleistet. Auch ihnen habe ich zu danken. Lohmar, im Herbst 1999 W. Geller Vorwort zur 2. Auflage Das Buch hat sich nach Inhalt und Aufbau in den Jahren seit dem Erscheinen der Erstauflage im März 2000 in weiteren Vorlesungszyklen als Arbeitsgrundlage bewährt. Die anläßlich der bevorstehenden Herausgabe der Zweitauflage vorgenommene Überarbeitung konnte sich so auf Korrekturen und die Präzisierung einiger Formulierungen beschränken. Meine Tochter Dr. iur. Nike Geller und mein Sohn stud.-ing. Boris Geller haben den überarbeiteten Text sorgfältig durchgesehen, wofür ich ihnen herzlich danke. Lohmar, im Herbst 2002 W. Gelle

5 Vorwort zur 3. Auflage Die vorliegende 3. Auflage des Lehrbuches wurde um ein Kapitel über feuchte Luft erweitert. Lohmar, im Herbst 2004 W. Geller Vorwort zur 4. Auflage Die 4. Auflage wurde gegenüber der 3. Auflage um ein Kapitel mit der Überschrift Repetitorium erweitert. Es beinhaltet Fragen, Aufgaben samt Antworten und ausführlich durchgerechneten Lösungen, die sich auf den Inhalt des ganzen Buches beziehen. Sie bieten dem Leser die Möglichkeit, sein Wissen zu überprüfen und zu verfestigen. Durch selbständiges Bearbeiten der Aufgaben wird die Fähigkeit entwickelt und gesteigert, rasch die Lösungswege für thermodynamische Fragestellungen zu erkennen. Daher ist dieses Kapitel auch bei der Vorbereitung auf eine Prüfung im Fach Thermodynamik sehr hilfreich. Lohmar, im Sommer 2006 W. Geller Vorwort zur 5. Auflage Das Kapitel 6.2 Nichtstatische Zustandsänderungen der 4. Auflage wurde um einen Absatz erweitert, in dem beispielhaft die Entwicklung nichtstatischer Zustandsänderungen beschrieben wird. Als weitere Änderung gegenüber der 4. Auflage wurde das Literaturverzeichnis auf den neuesten Stand gebracht. Lohmar, im Frühjahr 2015 W. Geller

6 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen... XIII 1 Einleitung Einheiten physikalischer Größen Systeme Definition von Systemen Systemarten Geschlossenes System Offenes System Adiabates System Abgeschlossenes System Einphasensystem Mehrphasensystem Zustandsgrößen Materiemenge als Zustandsgröße Thermische Zustandsgrößen Volumen Druck Temperatur Klassifizierung Extensive Zustandsgrößen Intensive Zustandsgrößen Spezifische Zustandsgrößen Molare Zustandsgrößen Gleichgewichtszustände Mechanisches Gleichgewicht Thermisches Gleichgewicht Chemisches Gleichgewicht Thermodynamisches Gleichgewicht Lokales thermodynamisches Gleichgewicht Zustandsänderung und Prozeß Definitionen Isochore Zustandsänderung... 28

7 VIII Inhaltsverzeichnis Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Nichtstatische Zustandsänderung Quasistatische Zustandsänderung Ausgleichsprozesse Reversible und irreversible Prozesse Zustandsgleichungen Festkörper Flüssigkeiten Ideale Gase Gesetz von Gay-Lussac Gesetz von Boyle-Mariotte Thermische Zustandsgleichung idealer Gase Gesetz von Avogadro Die universelle Gaskonstante Normzustand Mischungen idealer Gase Reale Gase Dämpfe Dampfarten Dampfdruckkurven Grenzkurven Thermische Zustandsgleichung des Dampfes Kinetische Gastheorie Druck als Summe von Stoßvorgängen Die absolute Temperatur und die kinetische Energie Arbeit Definition der Arbeit Arbeit und Energieübertragung Arbeit an fluiden Systemen Volumenänderungsarbeit Wellenarbeit Arbeit und Dissipationsenergie Innere Energie und Enthalpie Innere Energie Enthalpie Kalorische Zustandsgleichungen der inneren Energie und der Enthalpie Innere Energie und Enthalpie fester und flüssiger Phasen Innere Energie und Enthalpie idealer Gase Innere Energie und Enthalpie der Dämpfe Spezifische Wärmekapazitäten... 95

8 Inhaltsverzeichnis IX Wahre spezifische Wärmekapazitäten Mittlere spezifische Wärmekapazitäten Äquivalenz von Wärme und Arbeit Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme Der erste Hauptsatz für geschlossene ruhende Systeme Der erste Hauptsatz für geschlossene bewegte Systeme Wärme Einheit der Wärme Wärmemengenberechnung Wärmemenge bei isochorer Zustandsänderung Wärmemenge bei isothermer Zustandsänderung Wärmemenge bei isobarer Zustandsänderung Wärmebilanzen Mischungstemperatur Messung der spezifischen Wärmekapazität Wärmeübertragung Wärme und Arbeit bei reversiblen Zustandsänderungen idealer Gase Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Wärme und Arbeit bei polytroper Zustandsänderung Die Entropie Entropie als Zustandsgröße Entropie fester und flüssiger Phasen Entropie idealer Gase Entropie der Dämpfe Die absolute Temperatur als integrierender Faktor Entropiebilanz geschlossener Systeme Der erste Hauptsatz für offene Systeme Strömungsmechanische Grundlagen Volumenstrom Massenstrom Energiestrom Zeitverhalten von Strömungen Massenstrombilanz Energie und Arbeit bei Fließprozessen offener Systeme Energiebilanz instationärer Fließprozesse Energiebilanz stationärer Fließprozesse

9 X Inhaltsverzeichnis Technische Arbeit und Dissipation bei stationären Fließprozessen Entropiebilanz offener Systeme Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz und die Entropie Dissipation in adiabaten Systemen Wärmeübertragung bei endlicher Temperaturdifferenz Darstellung von Wärme und Arbeit in Entropiediagrammen T,s-Diagramme T,s-Diagramme für spezielle Zustandsänderungen idealer Gase Adiabate Systeme T,s-Diagramme realer Gase h,s-diagramme Kalorische Zustandsgleichungen idealer Gasgemische Kalorische Zustandsgleichung idealer Gasgemische Innere Energie Enthalpie Entropie Ideale Gas-Dampf-Gemische Kalorische Zustandsgleichungen der feuchten Luft Kennzahlen der feuchten Luft Thermische Variable der feuchten Luft Spezielle Zustandsänderungen ungesättigter feuchter Luft Enthalpie der feuchten Luft Entropie der feuchten Luft Mollier-Diagramm der feuchten Luft Reversible Kreisprozesse Kreisprozesse geschlossener Systeme Kreisprozesse in offenen Systemen Bewertungskennzahlen für Kreisprozesse Thermischer Wirkungsgrad Leistungsziffer Reversible Kreisprozesse thermischer Maschinen Vergleichsprozesse für Kolbenkraftmaschinen Otto-Prozeß Diesel-Prozeß Seiliger-Prozeß Vergleichsprozesse für Turbomaschinen Joule-Prozeß der einfachen Gasturbinenanlage Ericson-Prozeß

10 Inhaltsverzeichnis XI Dampfturbinen-Prozeß Carnot-Prozeß Irreversible Fließprozesse Das Polytropenverhältnis Wirkungsgrade Innerer Wirkungsgrad Statischer Wirkungsgrad Polytroper Wirkungsgrad Polytrope und isentrope Wirkungsgrade adiabater Maschinen Mechanischer Wirkungsgrad Irreversible Prozesse in thermischen Maschinen Die einfache Gasturbine Die Fahrzeuggasturbine Prozeß der Zweiwellengasturbine mit Wärmetauscher Strömungsprozesse in Düsen und Diffusoren Funktion von Düsen und Diffusoren Schallgeschwindigkeit und Machzahl Ausströmgeschwindigkeit und Stromdichte Druckverlauf und Querschnittsverlauf Die Lavaldüse Wirkungsgrade von Düse und Diffusor Exergie und Anergie Exergie und Anergie der Wärme Exergie und Anergie der Enthalpie Exergie und Anergie der inneren Energie Exergieverlust Exergetischer Wirkungsgrad Wärmeerzeugung durch Verbrennung Brennstoffe Feste Brennstoffe Flüssige Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Verbrennungsprozeß Reaktionsgleichungen Sauerstoffbedarf Luftbedarf Verbrennungsgas Heizwert und Brennwert Enthalpie-Temperatur-Diagramm der Verbrennungsgase Repetitorium

11 XII Inhaltsverzeichnis Fragen und Aufgaben Antworten und Lösungen Anhang A Einheiten Tabelle A1 Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems Tabelle A2 Einheitenvorsätze (Präfixe) Tabelle A3 Angelsächsische Einheiten und Einheitengleichungen Anhang B Stoffdaten Tabelle B1 Stoffdaten idealer Gase bei 0 C Tabelle B2 Sättigungsdampftafel für Wasser (Drucktafel) Tabelle B3 Sättigungsdampftafel für Wasser (Temperaturtafel) Tabelle B4 Sättigungsdampftafel für Ammoniak Tabelle B5 Mittlere spezifische isobare Wärmekapazität idealer Gase Tabelle B6 Logarithmisch gemittelte spezifische isobare Wärmekapazitäten von Luft und Verbrennungsgas Tabelle B7 Thermophysikalische Stoffgrößen verschiedener Materialien. 380 Literatur Sachverzeichnis

12 Formelzeichen Lateinische Formelzeichen A Fläche a Schallgeschwindigkeit B Anergie b spezifische Anergie B Anergiestrom c Geschwindigkeit; spezifische Wärmekapazität c mittlere Geschwindigkeit c p, c v, spezifische isobare bzw. spezifische isochore Wärmekapazität c p,c v mittlere spezifische Wärmekapazitäten idealer Gase c p,c v logarithmisch gemittelte spezifische Wärmekapazitäten idealer Gase E Exergie E Exergiestrom E g Gesamtenergie ΔE v Exergieverluststrom e spezifische Exergie Δe V spezifischer Exergieverlust F Kraft g Fallbeschleunigung H Enthalpie H Enthalpiestrom H o spezifischer Brennwert H u spezifischer Heizwert spezifische Enthalpie h 1+ X spezifische Enthalpie feuchter Luft Δh D spezifische Verdampfungsenthalpie j spezifische Dissipationsenergie k Wärmedurchgangskoeffizient L molare Luftmenge l spezifische molare Luftmenge M Molmasse M W Drehmoment m Masse m Massenstrom Teilchenmasse N Teilchenzahl; Anzahl

13 XIV Formelzeichen N A Avogadro-Konstante n Stoffmenge; Polytropenexponent O min molare Mindestsauerstoffmenge o min spezifische Mindestsauerstoffmenge P Leistung p Druck Q Wärme Q Wärmestrom q spezifische Wärme R Gaskonstante R m molare (universelle) Gaskonstante r i Raumanteil der Komponente i S Entropie S Entropiestrom S Q Entropietransportstrom S irr Entropieproduktionsstrom s spezifische Entropie s 1+ X spezifische Entropie der feuchten Luft s irr spezifischer Entropieproduktionsstrom T thermodynamische Temperatur t Zeit U innere Energie u spezifische innere Energie V Volumen V Volumenstrom υ spezifisches Volumen υ 1+ X spezifisches Volumen der feuchten Luft W Arbeit w spezifische Arbeit w k Arbeit eines Kreisprozesses w t technische Arbeit; spezifische Leistung X Wasserbeladung x Dampfgehalt y spezifische Strömungsarbeit Z Realgasfaktor z Höhenkoordinate Griechische Formelbuchstaben α Wärmeübergangskoeffizient ε Leistungszahl einer Wärmepumpe; Verdichtungsverhältnis ε 0 Leistungszahl einer Kältemaschine ψ Druckverhältnis ζ exergetischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad η

14 Formelzeichen XV η c Carnot-Faktor η m mechanischer Wirkungsgrad η s isentroper Wirkungsgrad η T polytroper Expansionswirkungsgrad η th thermischer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine η v polytroper Kompressionswirkungsgrad ϑ Celsius-Temperatur κ Isentropenexponent idealer Gase λ Luftverhältnis μ i Massenanteil der Kompenente i ν Polytropenverhältnis π Druckverhältnis von Turbomaschinen ρ Dichte ρ 1+ X Dichte der feuchten Luft σ spezifische Schmelzenthalpie ϕ Einspritzverhältnis; relative Feuchte ω Winkelgeschwindigkeit Indizes 0 Bezugszustand 1, 2, 3,.., i,..j Zustände 1, 2, 3,.., i,..j 12 Doppelindex: Prozeßgröße eines Prozesses, der vom Zustand 1 in den Zustand 2 führt A,B,... Systeme A, B, B Brennstoff a Austrittsquerschnitt D Dampf d Dissipation E Eis e Eintrittsquerschnitt; Eisphase f flüssige Phase g gesamt; Gasphase i Komponente i in einem Gemisch irr irreversibel k Kreisprozeß L Luft l flüssig m molar max maximal min minimal n Normzustand P Leistung p Druck Q Wärme

15 XVI Formelzeichen rev reversibel S Sättigung s isentrop; fest st statisch T Turbine; Taupunkt t technisch tr Tripelpunkt u Umgebung V Verdichter; Verbrennungsgas v Volumenänderung; Verlust; Volumen W Welle; Wasser Siedelinie Taulinie * Hervorhebung Besondere Zeichen x Mittelwert von x Zahlen in runden Klammern sind Gleichungsnummern. Die erste gibt die Kapitelnummer an. Zahlen in eckigen Klammern verweisen auf die Numerierung des Literaturverzeichnisses.