Repetitorium. Thermodynamik. 3., überarbeitete und ergänzte Auflage. von. Wilhelm Schneider. unter Mitarbeit von. Stefan Haas und Karl Ponweiser

Transkript

1 Repetitorium Thermodynamik 3., überarbeitete und ergänzte Auflage von Wilhelm Schneider unter Mitarbeit von Stefan Haas und Karl Ponweiser Oldenbourg Verlag München

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundbegriffe Was ist Thermodynamik? Mikroskopische Betrachtungsweise Wichtige mikroskopische Größen Makroskopische Betrachtungsweise Thermodynamisches System Allgemeine Begriffe Spezielle Systeme Zustandsgrößen Begriff Intensive und extensive Zustandsgrößen Spezifische Zustandsgrößen Molare Zustandsgrößen Thermodynamisches Gleichgewicht Allgemeiner Begriff Lokales thermodynamisches Gleichgewicht Zustand und Zustandsgieichungen Zustandsänderung und Prozess Allgemeine Begriffe Quasistatische und nichtstatische Zustandsänderungen Reversible und irreversible Prozesse Bilanzgleichungen Fragen Aufgaben 22 2 Temperatur Thermisches Gleichgewicht Nullter Hauptsatz der Thermodynamik Temperaturbegriff Temperatur zur Charakterisierung thermischen Gleichgewichts Temperatur als Scharparameter der Isothermen Temperatur als Zustandsgröße Temperaturskalen Empirische Temperaturen Idealgas-Temperatur Absolute Temperatur Celsius-Temperatur Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts Fragen Aufgaben 29 3 Thermische Zustandsgieichungen Begriff der thermischen Zustandsgieichung Ideale Gase Gasgemische Partialdruck, Partialdichte und Partialvolumen Konzentrationsmaße 33

3 X Inhaltsverzeichnis Molmasse eines Gemisches Ideale Gasgemische Realgaseffekte bei hohen Temperaturen Ideal-dissoziierendes Gas Saha-Gleichung Realgaseffekte bei hohen Dichten Virialform der thermischen Zustandsgieichung Van- der- Waals-Gleichurig Ausdehnungskoeffizient und Kompressibilitätskoeffizient Fragen Aufgaben 42 4 Erhaltung der Masse Massenbilanzen Stoffbilanzen Fragen Aufgaben 48 5 Erhaltung der Energie Arbeit Volumenänderungsarbeit Wellenarbeit Grenzflächenspannung und Oberflächenspannung Elektrische Arbeit Adiabaten Energie eines Systems Kinetische Energie und potentielle Energie Gesamtenergie und innere Energie Erster Hauptsatz und Wärmebegriff Enthalpie Verschiebearbeit und technische Arbeit Fragen Aufgaben 72 6 Kalorische Zustandsgieichungen und spezifische Wärmekapazitäten Begriff der kalorischen Zustandsgieichung Beziehungen zwischen thermischen und kalorischen Zustandsgieichungen Spezifische Wärmekapazitäten Joule-Thomson-Koeffizient Oberflächen Fragen Aufgaben 98 7 Energieumwandlungen Kreisprozesse Definition Energiebilanz für Kreisprozesse Carnot'scher Kreisprozess Zweiter Hauptsatz Thermischer Wirkungsgrad und thermische Leistungszahlen Definitionen 110

4 Inhaltsverzeichnis xi Carnot-Wirkungsgrad Carnot-Leistungszahlen Maximale Arbeit; Exergie und Anergie Satz von Clausius Fragen Aufgaben Entropie Entropiebegriff und zweiter Hauptsatz T, S- und T, s-diagramm h, s-diagramm Gibbs'sche Fundamentalgleichung Chemisches Potential Thermodynamische Potentiale und kanonische Zustandsgieichungen Freie Energie und freie Enthalpie Thermodynamische Potentiale und Maxwell'sche Beziehungen Entropie einer Oberfläche Kanonische Zustandsgieichungen Nernst'sches Wärmetheorem (dritter Hauptsatz) und absolute Entropie Entropiebilanz und zweiter Hauptsatz Clausius-Duhem'sche Ungleichung Fragen Aufgaben Thermodynamische Gleichgewichtsbedingungen Extremalbedingungen Gleichgewichtsbedingungen für heterogene Systeme Reine Stoffe Dreiphasengleichgewichte (Tripelpunkte) Zweiphasengleichgewichte p, v-diagramm eines reinen Stoffes Metastabile Zustände Mehrstoffsysteme Feuchte Luft (feuchte Gase) Verdampfungsgleichgewichte binärer Gemische Schmelzgleichgewichte binärer Gemische Fragen Aufgaben Phänomenologische Gleichungen für irreversible Prozesse Allgemeine Formulierungen Thermoelektrische Prozesse Chemische Reaktionen Fragen Aufgaben Wärmestrahlung Definition und Eigenschaften Strahlungsintensität 179

5 xii Inhaltsverzeichnis 11.3 Strahlungsfluss Planck'sches Strahlungsgesetz Wien'sches Verschiebungsgesetz Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann Absorption, Streuung und Emission in materiellen Systemen Absorption, Reflexion und Emission an Wänden Absorbierte, reflektierte und emittierte spektrale Strahlung Absorbierte, reflektierte und emittierte Gesamtstrahlung Kirchhoff'sehe Strahlungsgesetze Kirchhoff'sches Gesetz für Strahlung in materiellen Systemen Kirchhoff'sches Strahlungsgesetz für Wände Fragen Aufgaben Technische Anwendungen der Thermodynamik Thermische Strömungsmaschinen Adiabate Gas- und Dampfturbinen Adiabate Verdichter Nichtadiabate Verdichtung Kreisprozesse von Kolbenmaschinen Reale Kreisprozesse von Verbrennungskraftmaschinen Idealisierter Kreisprozess eines Dieselmotors Idealisierter Kreisprozess eines Ottomotors Seiliger-Kreisprozess Idealisierter Kreisprozess eines Stirlingmotors Kreisprozesse von Wärmekraftanlagen Einfache Kreisprozesse bei Gaskraftanlagen Verbesserte Gaskraftprozesse Kreisprozess einer einfachen Dampfkraftanlage Verbesserte Kreisprozesse bei Dampfkraftanlagen Kreisprozesse mit verbesserter Primärenergienutzung Kreisprozesse einer Gas- und Dampfkraftanlage Kreisprozess einer Kraft-Wärme-Kopplung Kreisprozesse zur Kälte- bzw. Wärmebereitstellung Kreisprozess von einfachen Kompressionskältemaschinen bzw. Kompressionswärmepumpen Kreisprozess von Gaskältemaschinen bzw. Gaswärmepumpen Heiz- und Kühlprozesse Exergie-Anergie-Fluss Diagramme Exergie-Anergie-Fluss durch eine Wand Stationäres Heizen Stationäres Kühlen Fragen Aufgaben 227 Antworten und Lösungen 231 Anhang: Dampftafeln 257 Ausgewählte Literatur 261 Index 265