Hans Dieter Baehr. Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen. Vierte, berichtigte Auflage

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1 Hans Dieter Baehr Thermodynamik Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen Vierte, berichtigte Auflage Mit 271 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 80 Beispielen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Grundlagen 1.1 Thermodynamik Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik Was ist Thermodynamik? System und Zustand System und Systemgrenze Zustand und Zustandsgrößen Intensive, extensive, spezifische und molare Zustandsgrößen Einfache Systeme Temperatur Das thermische Gleichgewicht Nullter Hauptsatz und Temperatur Thermometer und empirische Temperaturen Die Temperatur des idealen Gasthermometers. Celsius-Temperatur Die thermische Zustandsgieichung Der thermodynamische Prozeß Prozeß und Zustandsänderung Natürliche Prozesse Reversible und irreversible Prozesse Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilität Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible Prozesse Stationäre Fließprozesse Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Arbeit Mechanische Arbeit und mechanische Energie Volumenänderungsarbeit Wellenarbeit Arbeit an einem Massenelement eines strömenden Fluids Elektrische Arbeit und Arbeit bei nicht einfachen Systemen Der 1.Hauptsatz für geschlossene Systeme Innere Energie Wärme Der 1. Hauptsatz für ruhende geschlossene Systeme Der 1. Hauptsatz für bewegte geschlossene Systeme Die kalorische Zustandsgieichung Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse Technische Arbeit Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse Instationäre Prozesse in offenen Systemen. Strömungsenergie Enthalpie Kreisprozesse mit stationär umlaufendem Fluid 85

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik 3.1 Entropie und thermodynamische Temperatur Das Prinzip der Irreversibilität, angewendet auf adiabate Systeme Die empirische Entropie Metrische Entropie und thermodynamische Temperatur Entropie und 2. Hauptsatz der Thermodynamik Das T, s-diagramm Entropie, Wärme und Dissipationsenergie Die Irreversibilität des Wärmeübergangs Entropietransport und Entropieerzeugung Dissipationsenergie Die Entropiebilanz für einen stationären Fließprozeß Die Anwendung des 2.Hauptsatzes auf Energieumwandlungen: Exergie und Anergie Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie Der Einfluß der Umgebung auf die Energieumwandlungen Exergie und Anergie Exergie und Anergie der Wärme und die Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit Exergie und Anergie eines stationär strömenden Fluids Die Berechnung von Exergieverlusten Exergie-Anergie-Flußbilder. Exergetische Wirkungsgrade Thermodynamisehe Eigenschaften reiner Stoffe 4.1 Die thermischen Zustandsgrößen reiner Stoffe Die p, v, 7-Fläche Das p, ^-Diagramm Die thermische Zustandsgieichung für Fluide Die heterogenen Zustandsgebiete Das Naßdampfgebiet Nasser Dampf Die Zustandsgrößen im Naßdampfgebiet Die Gleichung von Clausius-Clapeyron Zustandsgieichungen, Tafeln und Diagramme für Fluide Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie mit Hilfe der thermischen Zustandsgieichung Tafeln der Zustandsgrößen Zustandsdiagramme Die Bestimmung isentroper Enthalpiedifferenzen Der Zustandsbereich des Festkörpers Ausdehnungs- und Kompressibilitätskoeffizient Die spezifische Wärmekapazität Schmelzen und Sublimieren Ideale Oase, Gas- und Gas Dampf-Gemische 5.1 Ideale Gase Thermische und kalorische Zustandsgieichung Die allgemeine Gaskonstante Die spezifische Wärmekapazität Entropie und isentrope Zustandsänderungen idealer Gase Ideale Gasgemische Masse- und Molanteile. Partialdrücke Eigenschaften idealer Gasgemische Die Entropie idealer Gasgemische Gas Dampf-Gemische. Feuchte Luft Allgemeines 216

4 i Inhaltsverzeichnis IX & 5.32 Der Sättigungsdruck des Dampfes Der Taupunkt Feuchte Luft Der Wassergehalt feuchter Luft Absolute und relative Feuchte Das spez. Volumen feuchter Luft 225 R Die spez. Enthalpie feuchter Luft Das h,»-diagramm für feuchte Luft Stationäre Fließprozesse ; 6.1 Technische Arbeit, Dissipationsenergie und die Zustandsänderung des strömenden Fluids Dissipationsenergie in einem stationär strömenden Fluid Dissipationsenergie und technische Arbeit. Eindimensionale Theorie 234 j 6.13 Eigenarbeit. Hydraulischer Wirkungsgrad 239 : 6.2 Strömungsprozesse Strömungsprozesse mit Wärmezufuhr Die Schallgeschwindigkeit Der gerade Verdichtungsstoß Adiabate Strömungsprozesse 252, 6.25 Adiabate Düsen- und Diffusor-Strömung 257 ; 6.26 Querschnittsflächen und Massenstromdichte bei isentroper Düsenund Diffusor-Strömung Strömungszustand in einer Laval-Düse bei verändertem Gegen- J druck Mischungsprozesse Masse-, Energie- und Entropie-Bilanzen Isobar-isotherme Mischung idealer Gase Mischung zweier Ströme feuchter Luft 275 i 6.34 Zusatz von Wasser und Wasserdampf zu feuchter Luft Arbeitsprozesse Adiabate Expansion in Turbinen Adiabate Verdichtung Dissipationsenergie, Arbeitsverlust und Exergieverlust bei der adiabaten Expansion und Kompression Nichtadiabate Verdichtung Thermodynamik der Kälteerzeugung f 7.1 Heizen und Kühlen als thermodynamische Grundaufgaben Exergie und Anergie bei der Wärmeübertragung 293 > 7.12 Die Grundaufgabe der Heiztechnik und der Kältetechnik ' 7.13 Reversible und irreversible Heizung. Wärmepumpe Die Kältemaschine 301 i 7.2 Einige Verfahren zur Kälteerzeugung ' 306 f 7.21 Die Kaltdampf-Kompressionskältemaschine 307 * 7.22 Prozeßverbesserungen. Mehrstufige Kompressionskälteanlagen. 313 *: 7.23 Die Gaskältemaschine mit adiabater Entspannung 318 I 7.24 Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung 323 I 8. Verbrennungsprozesse 8.1 Allgemeines Mengenberechnungen bei vollständiger Verbrennung Die Verbrennungsgleichungen Gemische chemisch einheitlicher Stoffe Feste und flüssige Brennstoffe Feuerungskontrolle durch Abgasanalyse 334

5 X Inhaltsverzeichnis 8.3 Energetik der Verbrennungsprozesse Die Anwendung des 1.Hauptsatzes Der spez. Heizwert des Brennstoffs Das h, i-diagramm der Verbrennung Chemisch einheitliche Stoffe. Reaktionsenthalpie Die Anwendung des 2.Hauptsatzes auf Verbrennungsprozesse Die reversible chemische Reaktion Absolute Entropien. Nernstsches Wärmetheorem Die Brennstoffzelle Die Exergie der Brennstoffe Der Exergieverlust 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 Anhang: Einheiten. Tabellen 10.1 Die Stoffmenge und ihre Maße Masse, Gewicht und Gewichtskraft Teilchenzahl und Substanzmenge Normzustand und Normvolumen Einheiten Die Einheiten des Internationalen Einheitensystems Einheiten anderer Einheitensysteme. Umrechnungsfaktoren Tabellen 424 Sachverzeichnis 433