Technische Thermodynamik

Transkript

1 Heinz Herwig Christian H Kautz Technische Thermodynamik Studium

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Kapitel 1 Das Buch und sein Konzept Umfang des vorliegenden Buches Inhalt des vorliegenden Buches Form des vorliegenden Buches 15 Kapitel 2 Einführende Vorbemerkungen/Beispiele Was ist Thermodynamik? Ist Thermodynamik ein schwieriges Fach"? Statistische/phänomenologische Thermodynamik Thermodynamisches Gleichgewicht - grundlegende Definitionen Beispiele aus dem Alltag Beispiele aus technischen Anwendungen 23 Kapitel 3 Das thermodynamische Verhalten von Stoffen Zustandsgrößen, Zustandsgieichungen Druck, spezifisches Volumen und Temperatur Ideales Gas (Modellgas) Reale Gase Inkompressible Flüssigkeit (Modellflüssigkeit) 33 Zusammenfassung 35 Fragen - Stimmt es, dass...? 36 Diskussion der Fragen 38 Kapitel 4 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik Der thermodynamische Energiebegriff Der 1. Hauptsatz als Bilanz der thermodynamischen Gesamtenergie Erläuterungen zum 1. Hauptsatz t Hauptsatz für geschlossene Systeme Die thermodynamische Gesamtenergie und ihre Anteile Prozessgröße Arbeit Prozessgröße Wärme Hauptsatz für offene Systeme Massenbilanz Spezielle Formen des 1. Hauptsatzes für offene Systeme Mechanische Teilenergiegleichung Thermische Teilenergiegleichung 66

3 4.6 Polytrope Zustandsänderungen idealer Gase 66 Zusammenfassung 71 Fragen - Stimmt es, dass...? 72 Diskussion der Fragen 76 Kapitel 5 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik Die thermodynamische Größe Entropie Der 2. Hauptsatz als Bilanz der Entropie Erläuterungen zum 2. Hauptsatz Entropieänderung durch Wärmeübertragung (AQ^S) Entropieproduktion(Aj rr S) Materieller Entropietransport (A^S) Spezielle Formen des 2. Hauptsatzes Der zweite Hauptsatz für geschlossene Systeme Der 2. Hauptsatz für offene Systeme Erläuterungen zur Prozessgröße Wärme Irreversible Wärmeübertragung Wärmeübergang zwischen zwei Systemen im thermischen Kontakt miteinander Thermodynamische Mitteltemperatur der Wärmeübertragung Umwandelbarkeit von Wärme in Nutzarbeit Das Prinzip der Wärmekraftmaschine Thermischer Wirkungsgrad, Carnot-Faktor Exergie und Anergie Qualitative Angaben zur Exergie und Anergie Quantitative Angaben zur Exergie und Anergie Exergetische Wirkungsgrade Bilanzen für thermodynamische Systeme, Flussdiagramme 105 Zusammenfassung 106 Fragen - Stimmt es, dass...? 107 Diskussion der Fragen 108 Kapitel 6 Thermodynamische Zustandsgieichungen reiner Stoffe Thermodynamische Zustandsgieichungen J Thermische Zustandsgieichung [p, v, T-Daten) Kalorische Zustandsgieichung, Entropie-Zustandsgleichung Thermodynamische Fundamentalgleichungen Die Fundamentalgleichung u = u(s, v) Alternative Formen der Fundamentalgleichung Reziprozitäts- und Maxwell-Beziehungen Phasengleichgewicht 131 Zusammenfassung 134

4 Fragen - Stimmt es, dass...? 135 Diskussion der Fragen 136 Kapitel 7 Ideale Gas- und Gas-Dampf-Gemische Definitionen Die Zustandsgieichungen idealer Gasgemische Thermische Zustandsgieichung Kalorische Zustandsgieichung Entropie-Zustandsgleichung Ideale Gas-Dampf-Gemische Ungesättigte und gesättigte Gas-Dampf-Gemische Feuchte Luft Spezielle Maßangaben Spezifische Größen feuchter Luft Das hi+x> X-Diagramm feuchter Luft Typische Prozesse mit feuchter Luft Kühlgrenz- und Feuchtkugeltemperaturen Das Psychrometer-Messprinzip 167 Zusammenfassung 169 Fragen - Stimmt es, dass...? 170 Diskussion der Fragen 173 Kapitel 8 Thermodynamische Kreisprozesse Kreisprozesse in technischen Anlagen Energie- und Entropiebilanzen für Kreisprozesse Energiebilanz für Kreisprozesse Entropiebilanz für Kreisprozesse Idealisierte Vergleichsprozesse Der Carnot-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess) Der Joule-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess) Der Clausius-Rankine-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess) Der Seiliger-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess) Kreisprozess-Systematik 195 Zusammenfassung # 198 Fragen - Stimmt es, dass...? 199 Diskussion der Fragen 199 Kapitel 9 Arbeitsprozesse (rechtsläufige Kreisprozesse) Definitionen Wärmekraftmaschinen und -anlagen Geschlossene Gasturbinenanlagen Einfache Dampfkraftanlage 208

5 9.2.3 Verbesserte Dampfkraftanlage: Zwischenüberhitzung und Speisewasser-Vorwärmung 212 :-, Kernkraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bei Wärmekraftanlagen Wirkungsgrade von Wärmekraftanlagen Verbrennungskraftmaschinen und -anlagen Offene Gasturbinenanlagen Otto- und Dieselmotoren Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bei Verbrennungsmotoren Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerke (GuD) 226 Zusammenfassung 229 Fragen - Stimmt es, dass...? 230 Diskussion der Fragen 233 Kapitel 10 Wärmeprozesse (linksläufige Kreisprozesse) Definitionen Energetische und exergetische Aspekte des Heizens und Kühlens Heizen mit Wärmepumpen Kompressions-Wärmepumpen Wärmepumpen im Vergleich mit anderen Heizsystemen Kühlen mit Kältemaschinen Kompressions-Kältemaschinen 253 Zusammenfassung 257 Fragen - Stimmt es, dass...? 258 Diskussion der Fragen 259 Kapitel 11 Stationäre Strömungen Eindimensionale Näherung in durchströmten Querschnitten Gleichungen für eindimensionale Durchströmungen Strömungen ohne Energietransfer Inkompressible Strömungen ohne Energietransfer Kompressible Strömungen ohne Energietransfer Strömungen mit Energietransfer Inkompressible Strömungen mit Energietransfer 2* Kompressible Strömungen mit Energietransfer 279 Zusammenfassung 281 Fragen - Stimmt es, dass...? 282 Diskussion der Fragen 285 Kapitel 12 Verbrennungsprozesse Verbrennungsreaktionen und Mengenangaben Bilanzen bei Verbrennungsprozessen 295

6 Stoffliche Bilanzen Energetische Bilanzen, Feuerungsprozesse Exergetische Bilanz, Verbrennungskraftprozesse 299 Zusammenfassung 305 Fragen - Stimmt es, dass...? 306 Diskussion der Fragen 306 Anhang A Übungsaufgaben 309 A.l Drucklufttank zur Energiespeicherung 309 A.2 Wärmerohr 310 A.3 Kolben-Lageveränderung 311 A.4 Energiebilanz für ein Wohnhaus 312 A.5 Erwärmung eines konstanten Gasstromes 313 A.6 Zustandsänderungen in einer Zylinder-Kolben-Anordnung 313 A.7 Kühlung feuchter Luft 315 A.8 Wirkungsgrade und Verluste bei einer GuD-Anlage 315 A.9 Heizung mit Hilfe einer Wärmepumpe 316 A.10 Ausströmen aus einem Leitungs-Leck 318 A.ll Methan-Verbrennung in einem OXYFUEL-Prozess 318 A.l2 Berechnung des Verbrennungsprozesses in einem Kalkofen 319 Anhang B Verzeichnis wichtiger Symbole und Formelzeichen 321 Anhang C Verzeichnis der im Text gegebenen Definitionen 327 Standardwerke zur Thermodynamik 329 Sachregister 331