Grundlagen der Technischen Thermodynamik

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1 Ernst Doering Herbert Schedwill Martin Dehli Grundlagen der Technischen Thermodynamik Lehrbuch füjr Studierende der Ingenieürwissenschaften 6., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 303 Abbildungen, 45 Tabellen sowie 56 Aufgaben mit Lösungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Thermodynamische Grundbegriffe Anwendungsgebiete der Thermodynamik System Zustand, Zustandsgrößen, Zustandsänderungen Prozess, Prozessgrößen 7 2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Das Prinzip von der Erhaltung der Energie Potentielle Energie Kinetische Energie Arbeit' Volumenänderungsarbeit Kupplungsarbeit Verschiebearbeit Druckänderungsarbeit Reibungsarbeit Thermische Energie Innere Energie Wärme Enthalpie Energiebilanzen Energiebilanz für das geschlossene System 22 /2.6.2 Energiebilanz für das offene System Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität Die spezifische Wärmekapazität der Gase 30 3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Die Aussage des zweiten Hauptsatzes Reversible und irreversible Prozesse Quasistatische Zustandsänderungen Irreversible Vorgänge Reibung Temperaturausgleich Druckausgleich Drosselung Entropie Reversible Ersatzprozesse adiabater Prozesse Die Berechnung der Entropieänderung Die Entropie als Zustandsgröße, totales Differential Die Entropieänderung der irreversiblen Vorgänge Reibung Temperaturausgleich Druckausgleich Drosselung Nichtadiabater Prozess und reversibler Ersatzprozess Isentrope Entropiediagramme Kreisintegral, thermodynamische Temperatur Dissipative Energie 53

3 VIII ' 4 Ideale Gase Thermische Zustandsgieichung Gesetz von Boyle und Mariotte Gesetz von Gay-Lussac Physikalischer Normzustand Gasthermometer Spezielle Gaskonstante Allgemeine Gaskonstante Kalorische Zustandsgrößen der idealen Gase Innere Energie..' Enthalpie Entropie Zustandsänderungen Isochore Isobare Isotherme Isentrope Polytrope Zustandsänderungen mit veränderlicher Masse Thermische Energie und Arbeit im T, s-diagramm > Mischungen idealer Gase Der Mischungsvorgang im abgeschlossenen System Mischung bei unverändertem Gesamtvolumen Mischung ohne Temperaturänderung bei unverändertem Gesamtvolumen Der Mischungsvorgang im offenen System 90 5 Reale Gase und Dämpfe 94»5.1 Eigenschaften der Dämpfe Phasenübergänge Zweiphasengebiete Sieden und Kondensieren Verdunsten und Tauen Flüssigkeit Nassdampf, Überhitzter Dampf Zustandsdiagramme Die p,v,t -Fläche Das T, s -Diagramm Das h, s -Diagramm Thermische Zustandsgieichungen Die van der Waalssche Gleichung Die Grenzkurve und die MainueH-Beziehung Die reduzierte van der Waalssche Gleichung Verschiedene Ansätze Virialkoeffizienten Berechnung von Zustandsgrößen; Dampftafeln Die kalorischen Zustandsgrößen Die spezifischen Wärmekapazitäten c p und c v Der Isentropenexponent und der Isothermenexponent Die Clausius- Clapeyronsche Gleichung Freie Energie und freie Enthalpie Allgemeines Ein g, s-zustandsdiagramm für Wasser und Wasserdampf Der Joule-Thomson-E&ekt ' 144

4 r IX 6 Thermische Maschinen Einteilung und Arten der Maschinen Unterteilung nach der Richtung der Energieumwandlung Unterteilung nach der Bauart der Maschinen Unterteilung nach der Art des ablaufenden Prozesses Ideale Maschinen Verdichtung und Entspannung in idealen Maschinen Mehrstufige Verdichtung und Entspannung Die Energiebilanz für Strömungsmaschinen Die Energiebilanz für Verdrängermaschinen Energiebilanzen für wirkliche Maschinen Innere oder indizierte Arbeit Totalarbeit Totalenthalpie Wirkliche Maschinen : Der ungekühlte Verdichter Der gekühlte Verdichter Kolbenverdichter Turboverdichter Gas- und Dampfturbinen Wirkungsgrade Vergleichsprozesse Der innere Wirkungsgrad Der mechanische Wirkungsgrad Der Gesamtwirkungsgrad Der isentrope Wirkungsgrad 171 ^6.5.6 Der isotherme Wirkungsgrad Der polytrope Wirkungsgrad Kreisprozesse Kreisprozessarbeit, Wärmezufuhr und Wärmeabgabe Rechts- und linkslaufende Kreisprozesse Die Theorie der rechtslaufenden Kreisprozesse Umwandlung von thermischer in mechanische Energie Der thermische Wirkungsgrad Der rechtslaufende Carnot-Prozess Die Auswirkung irreversibler Vorgänge Der Carnot-Faktor Technisch genutzte rechtslaufende Kreisprozesse Seiföger-Prozess, Otto-Prozess, DieseZ-Prozess, verallgemeinerter Diesel-Prozess Jouie-Prozess Ericsson-Prozess Stirling-Prozess Einfach-polytropischer Camot-Prozess Gasexpansions-Prozess Clausius-Rankine-Prozess Vergleichende Bewertung von rechtslaufenden Kreisprozessen Prozessgrößen und Kreisprozesse Mechanische Anstrengungsverhältnisse und thermische Anstrengungsverhältnisse Bewertungskriterien für wichtige thermodynamische Kreisprozesse Allgemeine thermodynamische Beziehungen Beispiele Graphische Darstellung der thermodynamischen Beziehungen Kreisprozessberechnungen für reale Fluide 240

5 X / 7.6 Linkslaufende Kreisprozesse Leistungszahl Der linkslaufende Carnot-Prozess Der linkslaufende Joule-Prozess.... i Der Gasexpansions-Prozess als Kälteprozess Der Kompressions-Kaltdampfprozess Exergie Energie/und Exergie Die Exergie der Wärme Die Exergie der gebundenen Energie Die Exergie der Temperaturänderungswärme Die Exergie der Volumenänderungsarbeit Die Exergie der Verschiebearbeit '.6 Die Exergie der Druckänderungsarbeit Die Exergie der inneren Energie Die Exergie der Enthalpie Die Exergie der freien Energie ' Die Exergie der freien Enthalpie Unterschied zwischen EU und EF Unterschied zwischen EH und EG Freie Energie und freie Enthalpie als thermodynamische Potentiale Exergie und Anergie Die Anergie im p, V -Diagramm und im T, S -Diagramm Anergiefreie Energien Exergieverlust Irreversibilität und Exergieverlust Exergieverlust und Anergiegewinn Exergetische Wirkungsgrade Wärmeübertragung Wärmestrahlung Stefan-Boltzmannsches Gesetz Kirchhoff sches Gesetz Ploncfcsches Strahlungsgesetz Iberisches Verschiebungsgesetz Lamfcertsches Kosinusgesetz Einstrahlzahl Strahlungsaustausch Hohlraummethode Umhüllung einer Fläche durch eine andere Zwei große parallele Flächen Matrizendarstellung Stationäre eindimensionale Wärmeleitung Ebene Wand Rohrwand Instationäre eindimensionale Wärmeleitung Ebene einschichtige Wand Halbunendlicher Körper Kontakttemperatur Konvektion Wärmeübergangskoeffizient Ähnlichkeitstheorie Reynolds-Analogie PrancZtZ-Analogie Potenzansätze für die turbulente Rohrströmung 324

6 9.6 Wärmedurchgang Wärmedurchgangskoeffizient Rippenwirkungsgrad und Flächenwirkungsgrad Mittlere Temperaturdifferenz Betriebscharakteristik ' Berippte Wärmeübertragungsflächen Gerade Rippe mit Rechteckquerschnitt Trennwandwärmeübertrager Gleichstrom Gegenstrom ' Kreuzst'rom Wärmeübertragung mit Phasenübergang Auswertung und, Auslegung Korrekturfaktor für Kreuzstrom Darstellung der Betriebscharakteristik Wärmelängsleitung in der ebenen Trennwand Auslegungsdiagramm * Feuchte Luft Zustandseigenschaften feuchter Luft Relative Feuchte Feuchtegrad und Sättigungsgrad Spezifische Enthalpie 357 ' Spezifisches Volumen und Dichte Zustandsänderungen feuchter Luft Temperaturänderung Befeuchtung und Entfeuchtung.' Mischung zweier Feuchtluftmengen Das h, x-diagramm von Mollier Temperaturänderung Befeuchtung und Entfeuchtung Mischung zweier Feuchtluftmengen Verdunstungsmodell Verdunstungskoeffizient Energiebilanzen Leioissche Beziehung Kühlgrenze Verdunstung und Tauniederschlag Wasserdampfdiffusion durch Wände Verbrennung Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Feste und flüssige Brennstoffe Zusammensetzung des Verbrennungsgases, Verbrennungsdreiecke, Verbrennungskontrolle Technische Gesichtspunkte der Verbrennung Einleitung und Ablauf der Verbrennung Vollkommene und unvollkommene Verbrennung Taupunkt der Verbrennungsgase Schornsteinzug Brennwert und Heizwert Theoretische Verbrennungstemperatur 397 Anhang 404 XI