Technische Thermodynamik

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1 Technische Thermodynamik Einführung und Anwendung von Prof. Dr.-Ing.em. Erich Hahne 5., völlig überarbeitete Auflage Oldenbourg Verlag München

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Formelzeichen Indizes V IX XIII 1 Grundbegriffe Energie Thermodynamische Systeme Thermodynamischer Zustand Zustandsgrößen einfacher Systeme Intensive und extensive Zustandsgrößen Spezifische und molare Zustandsgrößen Thermische und kalorische Zustandsgrößen Zustandsgieichungen Festlegung des thermodynamischen Zustands Thermische Zustandsgieichung Kalorische Zustandsgieichungen Zustandsänderungen Quasistatische und nichtstatische Zustandsänderungen Reversible und irreversible Zustandsänderungen Thermodynamischer Prozess und Kreisprozess Temperatur Gesetzliche Festlegung Thermisches Gleichgewicht Nullter Hauptsatz \ Die Zustandsgröße Temperatur & Temperaturskalen Thermometer ' Flüssigkeitsthermometer Thermoelemente Widerstandsthermometer 30

3 XVI Inhaltsverzeichnis Strahlungsthermometer Thermodynamisches Gleichgewicht Wärme Arbeit ' Volumenarbeit Verschiebearbeit Mechanische Arbeit Technische Arbeit Dissipationsenergie Innere Energie, Gesamtenergie eines Systems Enthalpie Entropie Exergie, Anergie Idealisierungen Reversible Zustandsänderung Ideales Gas Erfahrungssätze : Diagramme Aufbau der Diagramme Darstellung bei reversiblen und irreversiblen Zustandsänderungen Volumenarbeit im p, u-diagramm Darstellung von Kreisprozessen im p, u-diagramm Mathematische Beziehungen Unterschied zwischen Zustandsgrößen und Prozessgrößen, Das vollständige Differential ' Integrierender Faktor.' Der 1. Hauptsatz 61 Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme 61.1 Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit \ 61.2 Innere Energie 63.3, Mathematische Form des 1. Hauptsatzes für geschlossene Systeme 64.4 Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse 65.5 Formulierungen und Folgerungen 67.6 Bewegtes geschlossenes System 69.7 Enthalpie 70

4 Inhaltsverzeichnis XVII 2.2 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme Stationäre Strömung; instationäre Strömung Technische Arbeit, Leistung Modell und Energiebilanz für das offene System Mathematische Form des 1. Hauptsatzes für offene Systeme Technische Arbeit im p, u-diagramm Thermischer Wirkungsgrad und Leistungszahl Thermischer Wirkungsgrad von Wärmekraftprozessen Leistungszahl für Kälte- und Wärmepumpenprozesse Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität, molare Wärmekapazität Mittlere spezifische Wärmekapazität Zusammenstellung der mathematischen Formen des 1. Hauptsatzes Geschlossenes System Ruhendes geschlossenes System Bewegtes geschlossenes System Offenes System, stationäre Durchströmung Kreisprozess 89 3 Ideale Gase Thermische Zustandsgieichung idealer Gase Kalorische Zustandsgieichungen idealer Gase 97 "}i 3.3 Theoretische Bestimmung von Zustandsgrößen 99 ft Kinetische Gastheorie 99 i Molare innere Energie und molare Wärmekapazität 102 t'< k. 3.4 Entropie idealer Gase 104?/ 3.5 Das T, «-Diagramm 105 K, 3.6 Kriterien und Beziehungen für ideale Gase ff % % Einfache Zustandsänderungen idealer Gase 110 Isochore Zustandsänderung /111 Isobare Zustandsänderung 113 Isotherme Zustandsänderung "> 114 Adiabate Zustandsänderung 116 Polytrope Zustandsänderung 118 Zustandsänderungen bei instationären Vorgängen : '. 123 Füllen eines Behälters mit idealem Gas 123 Ausströmen eines idealen Gases aus einem Behälter 125

5 XVIII Inhaltsverzeichnis 3.9 Der Carnot-Prozess für ideale Gase Der rechtsgängige Prozess: Wärmekraftprozess Der linksgängige Prozess: Kälteprozess bzw. Wärmepumpenprozess Der 2. Hauptsatz Formulierungen des 2. Hauptsatzes Folgesätze des 2. Hauptsatzes Erster Folgesatz Zweiter und Dritter Folgesatz Vierter Folgesatz Fünfter Folgesatz Sechster Folgesatz Die Entropie Definition der Entropie Hauptgleichung der Thermodynamik Allgemeine thermodynamische Beziehungen Anwendungen der thermodynamischen Beziehungen Spezifische Wärmekapazität Kompressibilität, Ausdehnungskoeffizient, Spannungskoeffizient Drosselkoeffizienten Bestimmung der Entropie Nachweis für (du/dv) T = 0 bei idealen Gasen Entropiezunahme bei irreversiblen Prozessen Strömung mit Reibung Drosselung : Vermischung und Diffusion Überströmversuch von Joule Wärmeübertragung Wirkungsgrade von arbeitsabgebenden und arbeitsaufnehmenden Maschinen.' Die Exergie Exergie der Wärme bei T - const Exergie geschlossener Systeme, Isochore Zustandsänderung, v = const Isobare Zustandsänderung, p - const Exergie für Reaktionen mit gleicher Anfangs- und Endtemperatur Exergie offener stationärer Systeme Exergieverlust bei irreversiblen Prozessen Exergetischer Wirkungsgrad Exergie-Anergie-Flussbilder 193

6 Inhaltsverzeichnis XIX 5 Mehrphasige Systeme reiner Stoffe Grundlagen Zustandsgrößen im Zweiphasengebiet Dampfgehalt., Spezifisches Volumen 207 5:2.3 Spezifische innere Energie, Enthalpie und Entropie Diagramme im Zweiphasengebiet Temperatur, Volumen-Diagramm; T, u-diagramm Druck, VolumenTDiagramm; p, u-diagramm Druck, Temperatur-Diagramm; p, T-Diagramm Zustandsfläche im p, v, T-Raum Temperatur, Entropie-Diagramm; T, «-Diagramm Enthalpie, Entropie-Diagramm; h, «-Diagramm Druck, Enthalpie-Diagramm; log p, /j-diagramm Zustandsgieichungen und Zahlentafeln Einfache Zustandsänderungen im Zweiphasengebiet Isobare, isotherme Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Isenthalpe Zustandsänderung (irreversibel adiabat) Die Clausius-Clapeyron-Gleichung Kreisprozesse mit Dämpfen Dampfkraftprozesse (Rechtsgängige Prozesse) Der Carnot-Prozess Der Clausius-Rankine-Prozess Kaltdampfprozesse (Linksgängige Prozesse) Linksgängiger Carnot-Prozess Der Kaltdampfprozess als Kälteprozess Der Wärmepumpenprozess Dreiphasengebiet Zustandsdiagramme ' Die Clausius-Clapeyron-Gleichung 238 \ 6 Gemische von Gasen Zusammensetzung, Konzentration ~ Gemische idealer Gase Zustandsgieichung, Gaskonstante 248

7 XX Inhaltsverzeichnis j Innere Energie, Enthalpie, Wärmekapazitäten Entropie Exergie 252 6:2.5 Zusammenstellung der Konzentrationsmaße; Zusammenstellung von Größen Luft-Wasserdampf-Gemische (Feuchte Luft) Konzentrationsmaße Zustandsgrößen Dichte des Gemisches Enthalpie des Gemisches Das h, ^-Diagramm Anwendungen des h, x-diagrammes Erwärmung und Kühlung bei konstantem Dampfgehalt (x const.) Trocknung feuchter Luft (x 4- const.)...: Adiabate Vermischung zweier feuchter Luftströme : Zugabe von Flüssigkeit oder Dampf Verdunstungskühlung (Nasskühlung) Das Psychrometer-Prinzip Binäre zweiphasige Systeme (Zweistoff-Zweiphasen-Gemisch) Darstellung des Siedens und Kondensierens im Phasendiagramm Das 7\ x-diagramm Das p, x-diagrarnm Gemische mit azeotropem Punkt...; Das Enthalpie-, Konzentrations-Diagramm (h,w) Vergleichsprozesse mit idealem Gas Allgemeines Arbeit, Leistung, Mitteldruck Arbeitsmitteldurchsatz, Rechtsgängige Prozesse Wirkungsgrade,.' Carnot-Prozess Vergleichsprozesse für Otto-Motor und Diesel-Motor Annahmen für den Vergleichsprozess Definitionen v Wirkungsgrade Mitteldruck Vergleich des realen Otto-Prozesses mit dem Vergleichsprozess Stirlingmotor Stirling-Prozess : Thermischer Wirkungsgrad 302

8 Inhaltsverzeichnis XXI Mitteldruck, Heißgasmotor J Ericson-Prozess Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Gasturbinenanlagen, Strahltriebwerke Offene und geschlossene Gasturbinenanlagen ohne Wärmerückführung Joule-Prozess Offene und geschlossene Gasturbinenanlagen mit Wärmerückführung Strahltriebwerke Raketen Äußerer Wirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad von Strahltriebwerken und Raketen Vergleich der Vergleichsprozesse Linksgängige Prozesse Verdichter (Kompressoren) Vergleichsprozess Arbeit, Leistung Wirkungsgrade Definitionen Mehrstufige Verdichter Gaskältemaschinen Stirling-Prozess Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung Vergleichsprozesse mit Dämpfen Dampfkraftanlagen v Thermodynamische Mitteltemperatur und Wirkungsgrade Exergetische Wirkungsgrade Clausius-Rankine-Prozess Clausius-Rankine-Prozess mit Zwischenüberhitzung Regenerative Speisewasservorwärmung Gas-Dampf-Kraftprözesse (GD-Prozesse) Kaltdampfprozesse Exergetische Behandlung von Kälteprozessen v Irreversibel ablaufende Kälteprozesse Strömungsvorgänge Allgemeines Grundlagen 357

9 XXII Inhaltsverzeichnis 9.3 Strömung kompressibler Medien in Düsen und Diffusoren Düsen und Diffusoren Ausströmung aus Behältern durch sich verengende Düsen Ausströmgeschwindigkeit Ausströmende Masse, Durchflussfunktion Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit bei Ausströmung aus einer sich verengenden Düse Strömung durch konvergente Düsen Laval-Düse Grundlagen Zusammenstellung der Gleichungen Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in einer Laval-Düse und in Diffusoren wenn CQ = 0 und CQ ^ Verdichtungsstöße Grundgleichungen Darstellung des Verdichtungsstoßes im Diagramm Bewertungsgrößen von Düsen und Diffusoren Verbrennungsprozesse Allgemeines Größen und Symbole Brennwert, Heizwert '.: Brennwert Messung des Brennwertes Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie Heizwert Berechnung von Brennwert und Heizwert Brennstoffgemische Chemische Verbindungen :,, Verbandsformeln ' Sauerstoff- und Luftbedarf Mindestbedarf an Sauerstoff für feste und flüssige Brennstoffe Mindestbedarf an Sauerstoff für gasförmige Brennstoffe..; Luftbedarf und Luftüberschuss : Brennstoffkennzahlen Kennzahl für den Sauerstoffbedarf, er Kennzahl für den Stickstoffgehalt, v Rauchgase Feuchte Rauchgase fester und flüssiger Brennstoffe Feuchte Rauchgase gasförmiger Brennstoffe 419

10 Inhaltsverzeichnis XXIII Näherungsgleichungen Trockene Rauchgase Anwendung für die Rauchgasanalyse Verbrennungstemperatur Rauchgasenthalpie und Rauchgastemperatur Maximale Verbrennungstemperatur Schornsteinverluste Wärmekapazität der Rauchgase Das h, ^-Diagramm Feuerungswirkungsgrad Irreversibilität der Verbrennung Reaktionsarbeit und Reaktionsentropie Absolute Entropie, Dritter Hauptsatz, Standardentropie Brennstoffexergie Exergieverluste bei der Verbrennung Exergetischer Wirkungsgrad 443 Anhang 451 Anhang 1: Lösungen der Aufgaben 451 Anhang 2: Thermodynamische Größen einiger Stoffe 460 Anhang 3: Berechnung der Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf 460 Anhang 4: h, jt-diagramm 475 Anhang 5: Wirkungsgrade von Energiewandlungsanlagen in der Technik 476 Anhang 6: Beispiele für Energien und Leistungen 477 Anhang 7: Beispiele für Leistungsdichten 477 Anhang 8: Tripelpunkte und kritische Daten einiger Stoffe 478 Anhang 9: Literatur 479 Anhang 10: Sachverzeichnis 482