Eine Einführung in die Grundlagen. und ihre technischen Anwendungen. Von

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1 Thermo Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen Von Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr o. Professor und Direktor des Instituts für Tliermodynamik der Teclinischen Hochschule Braunschweig Zweite umgearbeitete und erweiterte Auflage Mit 324 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 86 Beispielen im Text Springer-Verlag Berlin / Heidelberg / New York 1966

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Grundlagen 1.1 Thermodynamik Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik Was ist Thermodynamik? System und Zustand Das thermodynamische System Gleichgewichtszustände und Zustandsgrößen Intensive, extensive, spezifische und molare Zustandsgrößen Einfache Systeme Temperatur Das thermische Gleichgewicht Kullter Hauptsatz und Temperatur Thermometer und empirische Temperaturskalen Die Temperaturskala des idealen Gasthermometers. Celsius-Skala Die thermische Zustandsgieichung Der thermodynamische Prozeß Prozeß und Zustandsänderung Nichtstatische und quasistatische Zustandsänderungen Natürliche Prozesse Reversible und irreversible Prozesse Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilität Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible Prozesse Stationäre Füeßprozesse in offenen Systemen Der Impulssatz Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Arbeit Mechanische Arbeit und mechanische Energie Volumenänderungsarbeit Reibungsarbeit Arbeit bei reversiblen und irreversiblen Prozessen einfacher Systeme Arbeit bei nicht einfachen Systemen Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Innere Energie Wärme Formulierungen des 1. Hauptsatzes für geschlossene Systeme Innere Energie, Wärme und Arbeit Die kalorische Zustandsgieichung Die kalorische Zustandsgieichung idealer Gase Der 1. Hauptsatz für offene Systeme Technische Arbeit und Leistung Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse 67

3 X Inhaltsverzeichnis 2.33 Instationäre Prozesse in offenen Systemen. Strömungsenergie Technische Arbeit und Reibungsarbeit Enthalpie Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse Kreisprozesse mit stationär umlaufendem Medium Die Wärmekraftmaschine Der Camot-Prozeß Der 2. Hauptsatz der Tliermodynamik 3.1 Reversible und irreversible Prozesse Verschiedene Formulierungen des Prinzips der Irreversibihtät Bedingungen für reversible Prozesse. Innere und äußere Reversibilität Reversible und irreversible Prozesse adiabater Systeme Entropie und thermodynamische Temperatur Die quantitative Formulierung des 2. Hauptsatzes Die Definition der Entropie lou 3.23 Eigenschaften der Entropie für adiabate Systeme Die thermodynamische Temperatur Entropie und 2. Hauptsatz Die Entropie nicht einfacher Systeme Entropie und Wärme Entropie und 1. Hauptsatz für Prozesse mit quasistatischen Zustandsänderungen Entropieströmung und Entropieerzeugung Das T, «-Diagramm Die Anwendmg des 2. Hauptsatzes auf Energieumwandlungen: Exergie und Anergie Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie Der Einfluß der Umgebung auf die Energieumwandlungen Exergie und Anergie Die Berechnung von Exergie und Anergie Die Berechnung von Exergieverlusten Exergie Anergie-Flußbilder. Exergetische Wirkungsgrade Heizen und Kühlen als thermodjrnamische Grundaufgaben Thermodynamische Eigenschaften reiner Stoffe 4.1 Die thermischen Zustandsgrößen reiner Stoffe Diep,?),r-Fläche Das y,r-diagramm Die thermische Zustandsgieichung der Gasphase Die thermische Zustandsgieichung für Flüssigkeiten Die heterogenen Zustandsgebiete Das Naßdampfgebiet Nasser Dampf Die Dampfdruckkurve Dampfgehalt und spez. Volumen Spez. Entropie und spez. Enthalpie Die Gleichung von CLATTSIUS-CLAPEYRON Dampftafehi Zustandsdiagramme realer Gase Das y,s-diagramm 176

4 Inhaltsverzeichnis XI 4.32 Das i, s-diagramm. Exergiediagramme Das ^,t-diagramm Die Bestimmung der kalorischen Zustandsgrößen realer Gase Die Enthalpie als Funktion von p und T Die Druckabhängigkeit der spez. Wärmekapazität Cj, Die Entropie als Funktion von p und T Die Drosselung realer Gase Der feste Zustand Schmelzen und Erstarren Sublimieren Die spez. Wärmekapazität fester Körper Ideale Gase, Gas- und Gas Dampf-Gemische 5.1 Ideale Gase Thermische und kalorische Zustandsgieichung Die allgemeine Gaskonstante Normzustand und Normkubikmeter Die Molwärmen idealer Gase Mittlere spez. Wärmekapazitäten Isentrope Zustandsänderungen idealer Gase Gemische idealer Gase Masse- und Molanteile. Partialdrücke Das Gesetz von DALTON Partialvolume. Volumenanteüe Die kalorischen Zustandsgrößen Die Entropie des Gasgemisches Die Irreversibilität des Mischungsprozesses Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft AUgemeines Der Sättigungsdruck des Dampfes Der Taupunkt Feuchte Luft Der Wassergehalt feuchter Luft Absolute und relative Feuchte Das spez. Volumen feuchter Luft Die spez. Enthalpie feuchter Luft Das j,a;-diagramm für Gas Dampf-Gemische Das Gebiet der ungesättigten feuchten Luft Das Nebelgebiet 228/ 6.43 Änderung des Gesamtdrucks i,a;-diagramme für andere Gas Dampf-Gemische Prozesse in offenen Systemen 6.1 Strömungsprozesse Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr Vemaohlässigtmg der kinetischen Energie Erwärmung imd Abkühlung feuchter Luft Adiabate Strömungsprozesse Allgemeine Gleichungen Beschleunigte Strömung. Strömungswirkungsgrade Verzögerte Strömimg Adiabate Rohrströmung Der gerade Verdichtungsstoß 250

5 XII Inhaltsverzeichnis G.3 Strömungsprozesse mit isentroper Zustandsänderung Die Schallgeschwindigkeit Querschnittsflächen bei reibungsfreier 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 Mischungsprozesse Masse-, Energie- und Entropie-Bilanzen Mischung zweier Ströme feuchter Luft Zusatz von Wasser und Wasserdampf zu feuchter Luft Adiabate Arbeitsprozesse Vernachlässigung der kinetischen Energie Adiabate Expansion. Turbine Arbeitsverlust bei nichtisentroper Expansion. Turbinenwirkungsgrad Adiabate Kompression. Verdichter Arbeitsverlust, Exergie Verlust und Reibungsarbeit Nichtadiabate Arbeitsprozesse Isotherme Verdichtung und Expansion Ersatz der isothermen Verdichtung durch mehrstufige adiabate Verdichtung Thermodyiuamik der Kälteerzeugung 7.1 Die Grundaufgabe der Kältetechnik Kälteerzeugung bei konstanter Temperatur Kälteerzeugung bei gleitender Temperatur Die Kältemaschine Die Kaltdampf-Kältemaschine Kältemittel für Kaltdampf-Kältemaschinen Die ümkehrung des Carnot-Prozesses Der Kreisprozeß der Kaltdampf-Kältemaschine Prozeßverbesserung durch Unterkühlung des kondensierten Kältemittels Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen Die Gaskältemaschine mit adiabater Entspannung Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung Die Philips-Gaskältemaschine Verbrennungsprozesse 8.1 Allgemeines Mengenberechntmgen bei vollständiger Verbrennung Die Verbrennungsgleichungen Gemische chemisch einheitlicher Stoffe Feste und flüssige Brennstoffe Feuerungskontrolle durch Abgasanalyse Heizwert und theoretische Verbrennungstemperatur Der Heizwert der Brennstoffe Oberer und unterer Heizwert Heizwert von Gemischen und Verbindungen Das Q,^Diagramm und die Temperaturabhängigkeit des Heizwertes Die theoretische Verbrennungstemperatur 336

6 Inhaltsverzeichnis XIII 8.4 Die thermodynamische Bewertung der Verbrennungsprozesse Die reversible cliemische Reaktion Absolute Entropien. NBKNSTsches Wärmetheorem Die Exergie der Brennstoffe Das S, S-Diagramm für Verbrenirangsprozesse Der Exergieverlust bei der adiabaten Verbrennung Thermodynamik der Wärme- und Verbrennungs-Kraftanlagen 9.1 Die Umwandlung chemischer und nuklearer Energie in Nutzarbeit und elektrische Energie Übersicht über die Umwandlungsverfahren Wärme- und Verbrennungs-Kraftanlagen Die einfache Dampfkraftanlage Der Dampferzeuger Der Kreisprozeß des Wassers Der exergetische Gesamtwirkungsgrad und seine Begrenzung durch die Endnässe Verbesserungen der einfachen Dampfkraftanlage Zwischenüberhitzung Kombinierte Luft- und Speisewasservorwärmung Das moderne Dampfkraftwerk Gaskraftanlagen Die geschlossene Gasturbinenanlage Die offene Gasturbinenanlage Verbesserungen des Gasturbinenprozesses Das Gasturbinen-Strahltriebwerk Anhang: Größen und Einheiten der Thermodynamik. Tabellen 10.1 Größen und Größengleichungen 40B 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 Emheitensystem Einheitentafehi Tabellen Allgemeine Angaben Eigenschaften idealer Gase y Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf Stoffwerte für die Berechnung von Verbreimungsprozessen Sachverzeichnis 439