Technische Thermodynamik

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1 Einführung in die Technische Thermodynamik und in die Grundlagen der chemischen Thermodynamik Von Ernst Schmidt Dr.-Ing. habil. Dr. rer. nat. h. o. LL. D. h. с о. Professor an der Technischen Hochschule München Zehnte verbesserte Auflage Mit 244 Abbildungen und 78 Tabellen sowie 3 Dampftafeln als Anlage Springer-Verlag В erlin/göttingen/heidelberg 1963

2 Inhaltsverzeichnis. Vorworte Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Tabellen im Textteil Liste der Formelzeichen V IX XV XVII I. Temperatur und Wärmemenge. 1. Einführung des Temperaturbegriffes, thermisches Gleichgewicht, die Temperaturskala des vollkommenen Gases 1 2. Die internationale Temperaturskala 4 3. Praktische Temperaturmessung 8 a) Flüssigkeitsthermometer 8 b) Widerstandsthermometer 9 c) Thermoelemente 10 d) Strahlungsthermometer Maßsysteme und Einheiten. Größengleichungen Wärmemenge und spezifische Wärme 19 Aufgabe 1. II. Erster Hauptsatz der Wärmelehre. 6. Das mechanische Wärmeäquivalent. Energieeinheiten 21 Aufgabe Das Prinzip der Erhaltung der Energie und die mechanische Deutung der Wärmeerscheimmgen 24 III. Der thermodynamische Zustand eines Körpers. 8. Die thermische Zustandsgieichung. Zustandsgrößen Äußere Arbeit, innere Energie und Enthalpie Die kalorischen Zustandsgleiohungen 35 IV. Das vollkommene Gas. 11. Die Gesetze von BOYLE-МАШОТТЕ und GAY-LUSSAC und die thermische Zustandsgieichung der vollkommenen Gase Die Gaskonstante und das Gesetz von AVOGADRO. Normtemperatur, Normdruck, Normzustand Die Zustandsgieichung von Gasgemischen Die Abweichungen der wirklichen Gase von der Zustandsgleiohung des vollkommenen Gases Die spezifischen Wärmen und die kalorischen Zustandsgleiohungen der vollkommenen Gase Die spezifischen Wärmen der wirklichen Gase Einfache Zustandsänderungen vollkommener Gase 52 a) Zustandsänderung bei konstantem Volum oder Isochore 52 b) Zustandsänderung bei konstantem Druck oder Isobare 53 c) Zustandsänderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme d) Adiabate Zustandsänderung 54 e) Polytrope Zustandsänderung 56 f) Logarithmische Diagramme zur Darstellung von Zustandsänderungen Ermittlung des Temperaturverlaufes und des polytropen Exponenten bei empirisch gegebenen Zustandsänderungen 59

3 X Inhaltsverzeichnis. 19. Das Verdichten von Gasen und der Arbeitsgewirin durch Gasentspannung 61 Aufgabe V. Kreisprozesse. 20. Die Umwandlung von Wärme in Arbeit durch Kreisprozesse Der Carnotsche Kreisprozeß und seine Anwendung auf das vollkommene Gas Die Umkehrung des Carnotschen Kreisprozesses 70 VI. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre. 23. Umkehrbare und nicht umkehrbare Vorgänge Der Carnotsche Kreisprozeß mit behebigen Stoffen Die Temperaturskala des vollkommenen Gases als thermodynamische Temperaturskala Beliebige umkehrbare Kreisprozesse, Arbeitsverlust bei nichtumkehrbaren Prozessen Die Entropie als Zustandsgröße. Das Clausiussche Integral des umkehrbaren Prozesses Die Entropie als vollständiges Differential und die absolute Temperatur als integrierender Nenner Ableitung des Wirkungsgrades des Carnotschen Kreisprozesses und der absoluten Temperaturskala ohne Benutzung der Eigenschaften des vollkommenen Gases Einführung der absoluten Temperaturskala und des Entropiebegriffes ohne Hilfe von Kreisprozessen Die Entropie der Gase und anderer Körper Die Entropiediagramme Das Entropiediagramm der Gase Beweis der Unabhängigkeit der inneren Energie eines vollkommenen Gases vom Volum bei konstanter Temperatur Das Verhalten der Entropie bei nichtumkehrbaren Vorgängen. Der zweite Hauptsatz als das Prinzip der Vermehrung der Entropie Spezielle nicht umkehrbare Prozesse 106 a) Reibung 106 b) Wärmeleitung unter Temperaturgefälle 107 c) Drosselung 108 d) Mischung und Diffusion Die maximale Arbeit von physikalischen und chemischen Zustandsänderungen 113 Aufgabe Statistische Deutung des zweiten Hauptsatzes 117 a) Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit eines Zustandes b) Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit 121 c) Die endliche Größe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit, Quantentheorie, Nernstsches Wärmetheorem 124 VII. Anwendung der Gasgesetze und der beiden Hauptsätze aui Gasmaschinen. 39. Der technische Luftverdichter 126 a) Schädlicher Baum, Eüllungsgrad 126 b) Drosselverluste 128 c) Liefergrad, Förderleistung, Wandungswirkungen, Undichtheiten d) Mehrstufige Verdichter 130 e) Wirkungsgrade Die Heißluftmaschine und die Gasturbine Die Arbeitsprozesse bei Verbrennungsmotoren 138 a) Das Otto- oder Verpuffungsverfahren 139 b) Das Diesel- oder Gleichdruckverfahren 141

4 Inhaltsverzeichnis. c) Der gemischte Vergleichsprozeß 143 d) Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Vergleichsprozeß; Wirkungsgrade Die Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmen und der Änderung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels bei Gasmaschinenprozessen 147 Aufgabe VIII. Die Eigenschaften der Dämpfe. 43. Gase und Dämpfe, der Verdampfungsvorgang und die p, v, T-Diagramme Die kalorischen Zustandsgrößen von Dämpfen Tabellen und Diagramme der Zustandsgrößen von Dämpfen Einfache Zustandsänderungen von Dämpfen 168 a) Isobare Zustandsänderung 169 b) Isochore Zustandsänderung 169 c) Adiabate Zustandsänderung 170 d) Drosselung Die Gleichung von CLAUSITJS und CLAPEYEON Das schwere Wasser 175 Aufgabe IX. Das Erstarren und der feste Zustand. 49. Das Gefrieren und der Tripelpunkt Die spezifische Wärme fester Körper Der Absolutwert der Entropie und der Nernstsche Wärmesatz X. Anwendungen auf die Dampfmaschine. 52. Die theoretische Arbeit des Dampfes in der Maschine Wirkungsgrade, Dampf- und Wärmeverbrauch Der Einfluß von Druck und Temperatur auf die Arbeit des Clausius- Rankine-Prozesses Die Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Arbeitsprozeß 189 a) Verluste durch Wärmeströmung unter Temperaturgefälle x^ b) Verlust durch unvollständige Expansion 190 c) Wandverluste 192 X d) Drosselverluste 195 e) Verluste durch schädlichen Baum Trennung der Verluste durch Vergleich des Indikatordiagrammes mit dem theoretischen Prozeß Die Übertragung des Indikatordiagrammes in das T, s-diagramm Der Wärmeübergang im Zylinder und die Vorteile des überhitzten Dampfes Konstruktive Maßnahmen zur Verminderung der Wandverluste a) Der Dampfmantel 202 b) Die mehrstufige Expansion und die Zwisohenüberhitzung 202 c) Die Gleichstrommaschine Besondere Arbeitsverfahren 203 a) Die Verwendung von Dampf in der Nähe des kritischen Zustandes 203 b) Die Carnotisierung des Clausius-Rankine-Prozesses durch stufenweise Speisewasservorwärmung 205 c) Quecksilber und andere Stoffe hohen Siedepunktes als Arbeitsmittel für Kraftanlagen 207 d) Binäre Gemische als Arbeitsmittel Die Umkehrung der Dampfmaschine 209 a) Die reversible Heizung und die Wärmepumpe 210 b) Die Kaltdampfmaschine als Kältemaschine 211 Aufgabe XI

5 XII Inhaltsverzeichnis. XI. Zustandsgieichungen von Dämpfen. 62. Die van der Waalssche Zustandsgieichung Zustandsgieichungen des Wasserdampfes Die Beziehungen der kalorischen Zustandsgrößen zur thermischen Zustandsgieichung Die Entropie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die Enthalpie und die innere Energie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die spezifischen Wärmen als Funktion der einfachen Zustandsgrößen Die Ermittlung der kalorischen und der thermischen Zustandsgieichung aus kalorischen Messungen 236 XII. Die Verbrennungserscheinungen. 69. Allgemeines, Grundgleichungen der Verbrennung, Heizwerte Sauerstoif- und Luftbedarf der vollkommenen Verbrennung, Menge und Zusammensetzung der Rauchgase 240 a) Feste und flüssige Brennstoffe 242 b) Gasförmige Brennstoife Die Beziehungen zwischen der Zusammensetzung der trockenen Rauchgase, der Zusammensetzung des Brennstoffes und dem Luftverhältnis Die Abhängigkeit der Verbrennungswärme von Temperatur und Druck Verbrennungstemperatur und Wärmeinhalt (Enthalpie) der Rauchgase Das i, /-Diagramm und die näherungsweise Berechnung der Verbrennungsvorgänge Unvollkommene Verbrennung Einleitung und Ablauf der Verbrennung Das Klopfen von Verbrennungsmotoren 257 Aufgabe XIII. Strömende Bewegung von Gasen und Dämpfen. 78. Laminare und turbulente Strömung Geschwindigkeitsverteilung und mittlere Geschwindigkeit Kontinuitätsgleichung, Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie Meßtechnische Anwendungen, Staurohr, Düse und Blende Enthalpie und kinetische Energie der Strömung Die Reibungsarbeit der Strömung Die Strömung eines vollkommenen Gases durch Düsen und Mündungen Die Schallgeschwindigkeit in Gasen und Dämpfen Die erweiterte Düse nach DE LAVAL Andere Behandlung der Düsenströmung Die Lavaldüse bei unrichtigem Gegendruck 284 Aufgabe Verdichtungsstöße 287 a) Der gerade Verdichtungsstoß 288 b) Der schräge Verdichtungsstoß 294 XIV. Strömungsmaschinen. 89. Allgemeines, Arbeitsumsatz bei strömendem Gas Die Stufe einer Strömungsmaschine. Geschwindigkeitsdiagramme Reaktionsgrad. Aktions- und Reaktionsturbine Das Mollierdiagramm der vielstufigen Strömungsmaschine. Einfluß der Verluste auf das wirksame Enthalpiegefälle Der Einfluß der endliehen Schaufellänge 311 XV. Thermodynamik des Raketenantriebes. 94. Allgemeines. Schub und Impuls eines Strahles Raketentreibstoffe und ihre Bewertung Die Strömung in der Düse einer Rakete Wirkungsgrad des Raketenantriebes 326

6 Inhaltsverzeichnis. XIII 98. Bewegung der Rakete 328 a) Die Rakete im schwerefreien Raum 328 b) Die Rakete im Schwerefelde Möglichkeit der Weltraumfahrt 332 XVI. Thermodynamischer Luftstrahlantrieb Allgemeines, innerer und äußerer Wirkungsgrad Das Schubrohr (Lorin-Düse) Der Turbinen-Strahlantrieb 342 a) Der Turbinenstrahlantrieb im Stand 343 b) Der Turbinenstrahlantrieb im Fluge 344 c) Leistungssteigerung durch Nach Verbrennung 346 XVII. Die Grundbegriffe der Wärmeübertragung Allgemeines Stationäre Wärmeleitung Wärmeübergang und Wärmedurchgang Nicht stationäre Wärmeströmungen Die Ähnlichkeitstheorie der Wärmeübertragung Wärmeübergang und Strömungswiderstand Einzelprobleme der Wärmeübertragung ohne Zustandsänderung des Mittels 377 a) Aufgezwungene Strömung 377 b) Freie Strömung Wärmeübertragung beim Kondensieren und Verdampfen Wärmeübertrager. Gleichstrom, Gegenstrom, Kreuzstrom 386 a) Gleichstrom 387 b) Gegenstrom 389 c) Kreuzstrom 390 XVIII. Die Wärmeübertragung durch Strahlung Grundbegriffe, Gesetz von KIRCHHOFF. Emissionsverhältnis bei festen Körpern und bei Gasen Die Strahlung des schwarzen Körpers Die Strahlung technischer Oberflächen Der Wärmeaustausch durch Strahlung Die Strahlung beim Wärmedurchgang durch Luftschichten Aufgabe XIX. Dampf-Gas-Gemische Allgemeines Das i, x-diagramm der feuchten Luft nach MOLLIER 413 a) Enthalpieänderung bei gleichbleibendem Wassergehalt 414 b) Mischung zweier Luftmengen 414 c) Zusatz von Wasser oder Dampf 416 d) Feuchte Luft streicht über eine Wasser- oder Eisfläche Der Stofftransport durch Diffusion Stoffaustausch und Wärmeübergang 420 XX. Die Anwendung des I. und II. Hauptsatzes der Thermodynamik auf chemische Vorgänge Einleitung, maschinentechnische und chemische Thermodynamik Innere Energie und Enthalpie Energieumsatz bei chemischen Reaktionen Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenergien Das Gesetz der konstanten Energiesummen Thermodynamisohes und chemisches Gleichgewicht. Unvollständigkeit des Ablaufes chemischer Reaktionen. Das Prinzip von LE CHA- TELIER und BRAUN 430

7 XIV Inhaltsverzeichnis Beispiele für die reversible, isotherme Durchführung chemischer Reaktionen Ein thermisch-mechanisches Modell der reversiblen chemischen Reaktion Die reversible Durchführung beliebiger homogener Gasreaktionen Chemisches Gleichgewicht und Massen Wirkungsgesetz Kinetische Deutung des Massenwirkungsgesetzes Entropie, freie Energie und freie Enthalpie bei chemischen Reaktionen 447 XXI. Das Nernstsche Wärmetheorem oder der dritte Hauptsatz der Wärmelehre Die Gibbs-Helmholtzschen Gleichungen. Die Temperaturabhängigkeit der reversiblen Arbeit und der Gleichgewichtskonstanten Der dritte Hauptsatz der Wärmelehre in der Passung von NEKNST und PLANCK Die Verdampfung als chemische Reaktion und die chemische Konstante Die praktische Ermittlung und die zweckmäßige Darstellung der Temperaturabhängigkeit von Gleichgewichtskonstanten und des Dampfdruckes reiner Stoffe Heterogene Reaktionen Tabellen für Reaktionen bei Verbrennungs-und Vergasungsvorgängen Ausbeute einer chemischen Reaktion, Reaktionsgrad, Dissoziationsgrad Die Verbrennung fester Kohle als heterogene Reaktion Der Generator zur Kohlenoxyderzeugung Die Dissoziation von Kohlendioxyd und Wasserdampf Das Wassergasgleichgewicht und die Zersetzung von Wasserdampf durch glühende Kohle Die Dissoziation der Verbrennungsgase eines Kohlenwasserstoffes Der Plasmazustand der Materie und die Erreichung sehr hoher Temperaturen 505 Anhang: Dampftabellen und Tafeln. Tabelle I. Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung (Temperaturtafel) Passung A (at und kcal) 510 Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung (Temperaturtafel) Fassung В (bar und kj) 514,, IL Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung (Drucktafel) Passung A (at und kcal) 518 Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung (Drucktafel) Passung В (bar und kj) 522,, III. Zustandsgrößen v, i und s von Wasser und überhitztem Dampf Passung A (at und kcal) 526 Zustandsgrößen v, h und s von Wasser und überhitztem Dampf Passung В (bar und kj) 532 IV. Zustandsgrößen des Wasserdampfes im idealen Gaszustand Passung A (kcal als Einheit) Passung В (kj als Einheit). 538,, V. Zustandsgrößen von Ammoniak NH 3 bei Sättigung ,, VI. Zustandsgrößen von Kohlensäure C0 2 bei Sättigung VII. Zustandsgrößen von Monofluortrichlormethan CPC1 3 (R 11, Preon 11, Prigen 11) bei Sättigung 540 VIII. Zustandsgrößen von Difluordichlormethan CF 2 C1 2, (R 12 Preon 12, Prigen 12) bei Sättigung 540,, IX. Zustandsgrößen von Difluormonochlormethan, CHF 2 C1(R22, Freon 22, Frigen 22) bei Sättigung 541 TafelA. Mollier-(i,s)-Diagramm von Wasserdampf. \ Befinden sich am B. Mollier-(log J3,i)-Diagramm von Ammoniak.... > Schluß des Buches in C. i, ж-diagramm der feuchten Luft nach MOLLIEE.. J Tasche. Lösungen der Aufgaben 542 Schrifttumsverzeichnis 552 Namen- und Sachverzeichnis 558