Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen. Von. Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr. o. Professor an der Technischen Hochschule Braunschweig

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1 Thermodynamik Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen Von Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr o. Professor an der Technischen Hochschule Braunschweig Mit 325 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 92 Beispielen im Text Springer-Verlag Berlin / Göttingen / Heidelberg 1962

2 1. Allgemeine Grundlagen 1.1 Inhalt und Bedeutung der Thermodynamik System und Zustand Das thermodynamisohe System Gleichgewichtszustände und Zustandsgrößen Intensive, extensive, spezifische und molare Zustandsgrößen Phasen Adiabate und diatherme Wände Temperatur und thermisches Gleichgewicht Thermometer und empirische Temperaturakalen Die Temperaturskala des idealen Gasthermometers. Celsius- Skala Die thermische Zustandsgieichung Der thermodynamisohe Prozeß Prozeß und Zustandsänderung Nichtstatische und quasistatische Zustandsänderungen Natürhche Prozesse Reversible und irreversible Prozesse Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilität Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible Prozesse Offene Systeme Stationäre Prozesse Strömungsformen, Kontinuitätsgleichung Der Impulssatz Die Bewegungsgleichung der eindimensionalen Strömung Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Energieformen Arbeit Volumenänderungsarbeit Beibungsarbeit Arbeit bei reversiblen und irreversiblen Prozessen Arbeit bei adiabaten Systemen imd innere Energie Wärme Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Formulierungen des 1. Hauptsatzes Innere Energie, Wärme und Arbeit Einige historische Bemerkungen zum Begriff der Wärme Die kalorische Zustandsgieichung Die kalorische Zustandsgieichung idealer Gase Der 1. Hauptsatz für offene Systeme Technische Arbeit und Leistung Die Berechnung der technischen Arbeit 68

3 IX Seile 2.33 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme. Enthalpie Die Enthalpie idealer Gase Prozesse in offenen adiabaten Sj^stemen. Drosselung Mischungsprozesse Der 1. Hauptsatz für Kreisprozes.se Kreisprozesse mit geschlossenen und offenen Systemen Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse mit geschlossenen Systemen Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse mit offenen Systemen Die Wärmekraftmaschine Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik 3.1 Reversible und irreversible Prozesse Verschiedene Formulierungen des Prinzips der Irreversibilität Bedingungen für reversible Prozesse. Innere und äußere Beversibiütät Reversible und irreversible Prozesse adiabater Systeme Entropie und thermodynamische Temperatur Die quantitative Formulierung des 2. Hauptsatzes Die Defmition der Entropie Eigenschaften der Entropie für adiabate Systeme Die thermodynamisohe Temperatur Entropie und 2. Hauptsatz Die Anwendung der Entropie auf offene Systeme Entropie und Wärme Entropie und 1. Hauptsatz für Prozesse mit quasistatischen Zustandsänderungen Entropieströmung und Entropieerzeugung Das T, s-diagramm Energieumwandlungen Die Bedeutung der beiden Hauptsätze für die Beurteilung von Energieumwandlungen Die Umwandlung von Wärme in Arbeit durch einen Kreisprozeß Der Camot-Faktor III 3.44 Die irreversible Wärmekraftmaschine Die technische Arbeitsfähigkeit. Exergie Die Bewertung thermodynamischer Prozesse mit Hilfe der technischen Arbeitsfähigkeit Der Exergieverlust irreversibler Prozesse mit quasistatischer Zustandsänderung Das Exergie-Flußbüd : Thermodynamische Eigenschaften reiner Stoffe 4.1 Die thermischen Zustandsgrößen reiner Stoffe Diep,i;,r-Fläche Das p.r-diagramm Die thermische Zustandsgieichung der Gasphase Die thermische Zustandsgleiehung für Flüssigkeiten Die heterogenen Zustandsgebiete Dag Naßdampfgebiet Nasser Dampf Die Dampfdruckkurve Dampfgehalt und spez. Volumen Spez. Entropie und spez. Enthalpie 149

4 4.25 Die Gleichung von CLAUSIUS-CLAPBYRON Dampftafehi Zustandsdiagramme realer Gase Das T, s-diagramm Das i, s-diagramm. Exergiediagramme Das p, i'-diagramm Die Berechnung der kalorischen Zustandsgrößen realer Gase Die Enthalpie als Funktion von p und T Die Druckabhängigkeit der spez. Wärmekapazität c,, Die Entropie als Funktion von f und T Der Joule-Thomson-Effekt Die Drosselung realer Gase Differentieller Joule-Thomson-Koeffizient. Inversionskurve Der integrale Joule-Thomson-Koeffizient Isotherme Drosselung Ideale Gase Thermische und kalorische Zustandsgleiehung Die allgemeine Gaskonstante Normzustand und Normkubikmeter Die Molwärmen idealer Gase Mittlere spez. Wärmekapazitäten Isentrope und polytrope Zustandsänderungen idealer Gase Der feste Zustand 'i&l 4.71 Schmelzen und Erstarren Sublimieren Die spez. Wärmekapazität fester Körper Prozesse in offenen Systemen 5.1 Strömungsprozesse Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr Vernachlässigung der kinetischen Energie Der Exergieverlust bei der Wärmeübertragung Adiabate Strömungsprozesse Allgemeine Gleichungen Beschleunigte Strömung. Strömungswirkungsgrade Verzögerte Strömung Adiabate Rohrströmung Der gerade Verdiohtungsstoß Strömungsprozesse mit isentroper Zustandsänderung Die Schallgeschwindigkeit Quersohnittsflächen bei reibimgsfreier Düsen- und Diffusorströmung Der Sonderfall des idealen Gases Strömungszustand in einer nicht erweiterten Düse bei verändertem Gegendruck Strömungszustand in einer erweiterten (Laval-)Düse bei verändertem Gegendruck Adiabate Arbeitsprozesse Vernachlässigung der kinetischen Energie Adiabate Expansion. Turbine Arbeitsverlust bei nichtisentroper Expansion. Turbinenwirkungsgrad 220

5 XI 5.44 Adiabate Kompression. Verdichter Arbeitsverlust, Exergieverlust und Reibungsarbeit Nichtadiabate Arbeitsprozesse Isotherme Verdichtung und Expansion Ersatz der isothermen Verdichtung durch mehrstufige adiabate Verdichtung Kreisprozesse für Wärmekraftmaschinen 6.1 Vergleichsprozesse Allgemeines über reversible Kreisprozesse für Wärmekraftmaschinen Vergleiohsprozesse für Verbrennungskraftmaschinen Der thermische Wirkungsgrad eines Kreisprozesses. Thermodynamische Mitteltemperaturen Das Arbeitsverhältnis Der Carnot-Prozeß Allgemeines Der Carnot-Prozeß als Vergleichsprozeß einer Dampf kraftanlage Der Carnot-Prozeß als Vergleichsprozeß einer Gasturbinenanlage Der Isobaren Isentropen-Prozeß t Der Clausius-Rankine-Prozeß im Naßdampf gebiet Der Clausius-Rankine-Prozeß mit Überhitzung Der Joule-Prozeß als Vergleichsprozeß der Gasturbinen-Anlage Wirkungsgrad und Arbeitsverhältnis des Joule-Prozesses Der Vergleichsprozeß des Gasturbinen-Strahltriebwerks Der Einfluß der Irreversibilitäten auf den Isobaren Isentropen- Prozeß Innere und äußere Irreversibilitäten Die Exergieverluste beim irreversiblen Clausius-Rankine-Prozeß Die Exergieverluste beim irreversiblen Joule-Prozeß Vergleich zwischen Clausius-Bankine- und Joule-Prozeß Verbesserungen des Isobaren Isentropen-Prozesses Regenerative Speisewasservorwärmung Zwischenüberhitzung Eegenerativer Wärmeaustausch Mehrstufige Verdichtung imd Entspannung Thermodynamik der Kälteerzeugung 7.1 Die Umkehrung der Wärmekraftmaschine Kältemaschine und Wärmepumpe Leistungszahl und Reversibilitätsgrad einer Kältemaschine Kreisprozesse für Kaltdampf-Kältemaschinen Kältemittel für Kaltdampf-Kältemaschinen Die Umkehrung des Camot-Prozesses Der,.praktische" Vergleichsprozeß der Kaltdampf-Kältemaschine Die Exergieverluste der Kälteanlage Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen Der Isobaren Isothermen-Prozeß als Idealprozeß Gas-Kälteprozeß mit isentroper Entspannung 309

6 XTI Inhaltsverzeichnis 7.33 Gas-Kälteprozeß mit Drosselung. Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung Die Phihps-Gaskältemaschine Gas- und Gas Dampf-Gemische 8.1 Allgemeine Definitionen Masse-und Molanteile Partialdrücke Gemische idealer Gase Das Gesetz von DALTON Volumenanteile Die kalorischen Zustandsgrößen Die Entropie des Gasgemisches Die Irreversibilität des Mischungsprozesses Gas Dampf-Gemische. Feuchte Luft Allgemeines Feuchte Luft Der Wassergehalt feuchter Luft Ungesättigte feuchte Luft Gesättigte feuchte Luft Relative Feuchtigkeit Das spez. Volumen feuchter Luft Die spez. Enthalpie feuchter Luft Das i,»-diagramm für Gas Dampf-Gemische Das Gebiet der ungesättigten feuchten Luft Das Nebelgebiet Änderung des Gesamtdruckes i, K-Diagramme für andere Gas Dampf-Gemische Anwendungen des i, a;-diagrammes Erwärmimg und Abkühlung Mischung zweier Luftmengenströme Zusatz von Wasser und Wasserdampf Verbrennungsprozesse 9.1 Allgemeines Mengenberechnungen bei vollständiger Verbrennung Die Verbrennungsgleichungen Gemische chemisch einheitlicher Stoffe Feste und flüssige Brennstoffe FeuerungskontroUe durch Abgasanalyse Heizwert und theoretische Verbrennungstemperatur Der Heizwert der Brennstoffe Oberer und unterer Heizwert Heizwert von Gemischen und Verbindungen Das S, «-Diagramm und die Temperaturabhängigkeit des Heizwertes Die theoretische Verbrennungstemperatur Die thermodynamische Bewertung der Verbrennungsprozesse Die reversible chemische Reaktion Absolute Entropien. NBRNSTsches Wärmetheorem Die Exergie der Brennstoffe Der Exergieverlust bei der adiabaten Verbrennung Die Bewertung der Energieumwandlungen in Wärme- und Verbrennungskraftanlagen 386

7 XIII 10. Anhang: Größen und Einheiten der Thermodynamik. Tabellen 10.1 Größen und Größengleichungen Dimension, Größe und Einheit Größengleichungen Grundgrößenarten und Grundeinheiten Masse, Gewicht und Gewichtskraft Die Stoffmenge und ihre Maße Einheitensysteme Einheiten und Einheitensysteme Das Internationale Einheitensystem Das Technische Einheitensystem Einheitentafehi Tabellen Allgemeine Angaben Eigenschaften idealer Gase Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf Stoffwerte für die Berechnung von Verbrennungsprozessen. 422 Sachverzeichnis 426