Thermo Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen Von Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr o. Professor und Direktor des Instituts für Tliermodynamik der Teclinischen Hochschule Braunschweig Zweite umgearbeitete und erweiterte Auflage Mit 324 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 86 Beispielen im Text Springer-Verlag Berlin / Heidelberg / New York 1966
Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Grundlagen 1.1 Thermodynamik 1 1.11 Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik 1 1.12 Was ist Thermodynamik? 7 1.2 System und Zustand 8 1.21 Das thermodynamische System 8 1.22 Gleichgewichtszustände und Zustandsgrößen 10 1.23 Intensive, extensive, spezifische und molare Zustandsgrößen... 13 1.24 Einfache Systeme 15 1.3 Temperatur 16 1.31 Das thermische Gleichgewicht 16 1.32 Kullter Hauptsatz und Temperatur 17 1.33 Thermometer und empirische Temperaturskalen 18 1.34 Die Temperaturskala des idealen Gasthermometers. Celsius-Skala. 20 1.35 Die thermische Zustandsgieichung 23 1.4 Der thermodynamische Prozeß 25 1.41 Prozeß und Zustandsänderung 25 1.42 Nichtstatische und quasistatische Zustandsänderungen 27 1.43 Natürliche Prozesse 29 1.44 Reversible und irreversible Prozesse 30 1.45 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilität 32 1.46 Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible Prozesse... 32 1.47 Stationäre Füeßprozesse in offenen Systemen 33 1.48 Der Impulssatz 36 2. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Arbeit 40 2.11 Mechanische Arbeit und mechanische Energie 40 2.12 Volumenänderungsarbeit 43 2.13 Reibungsarbeit 46 2.14 Arbeit bei reversiblen und irreversiblen Prozessen einfacher Systeme 48 2.15 Arbeit bei nicht einfachen Systemen 50 2.2 Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme 62 2.21 Innere Energie 52 2.22 Wärme 55 2.23 Formulierungen des 1. Hauptsatzes für geschlossene Systeme... 68 2.24 Innere Energie, Wärme und Arbeit 62 2.25 Die kalorische Zustandsgieichung 63 2.26 Die kalorische Zustandsgieichung idealer Gase 64 2.3 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme 66 2.31 Technische Arbeit und Leistung 66 2.32 Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse 67
X Inhaltsverzeichnis 2.33 Instationäre Prozesse in offenen Systemen. Strömungsenergie... 72 2.34 Technische Arbeit und Reibungsarbeit 75 2.35 Enthalpie 79 2.4 Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse 82 2.41 Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse 82 2.42 Kreisprozesse mit stationär umlaufendem Medium 83 2.43 Die Wärmekraftmaschine 85 2.44 Der Camot-Prozeß 86 3. Der 2. Hauptsatz der Tliermodynamik 3.1 Reversible und irreversible Prozesse 92 3.11 Verschiedene Formulierungen des Prinzips der Irreversibihtät... 92 3.12 Bedingungen für reversible Prozesse. Innere und äußere Reversibilität 93 3.13 Reversible und irreversible Prozesse adiabater Systeme 95 3.2 Entropie und thermodynamische Temperatur 99 3.21 Die quantitative Formulierung des 2. Hauptsatzes 99 3.22 Die Definition der Entropie lou 3.23 Eigenschaften der Entropie für adiabate Systeme 102 3.24 Die thermodynamische Temperatur 104 3.25 Entropie und 2. Hauptsatz 106 3.26 Die Entropie nicht einfacher Systeme 109 3.3 Entropie und Wärme 110 3.31 Entropie und 1. Hauptsatz für Prozesse mit quasistatischen Zustandsänderungen 110 3.32 Entropieströmung und Entropieerzeugung 113 3.33 Das T, «-Diagramm 113 3.4 Die Anwendmg des 2. Hauptsatzes auf Energieumwandlungen: Exergie und Anergie 116 3.41 Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie 116 3.42 Der Einfluß der Umgebung auf die Energieumwandlungen.... 119 3.43 Exergie und Anergie 123 3.44 Die Berechnung von Exergie und Anergie 127 3.45 Die Berechnung von Exergieverlusten 134 3.46 Exergie Anergie-Flußbilder. Exergetische Wirkungsgrade.... 140 3.47 Heizen und Kühlen als thermodjrnamische Grundaufgaben.... 146 4. Thermodynamische Eigenschaften reiner Stoffe 4.1 Die thermischen Zustandsgrößen reiner Stoffe 155 4.11 Diep,?),r-Fläche 155 4.12 Das y,r-diagramm 158 4.13 Die thermische Zustandsgieichung der Gasphase 159 4.14 Die thermische Zustandsgieichung für Flüssigkeiten 162 4.15 Die heterogenen Zustandsgebiete 162 4.2 Das Naßdampfgebiet 164 4.21 Nasser Dampf 164 4.22 Die Dampfdruckkurve 166 4.23 Dampfgehalt und spez. Volumen 167 4.24 Spez. Entropie und spez. Enthalpie 170 4.25 Die Gleichung von CLATTSIUS-CLAPEYRON 172 4.26 Dampftafehi 174 4.3 Zustandsdiagramme realer Gase 175 4.31 Das y,s-diagramm 176
Inhaltsverzeichnis XI 4.32 Das i, s-diagramm. Exergiediagramme 178 4.33 Das ^,t-diagramm 182 4.4 Die Bestimmung der kalorischen Zustandsgrößen realer Gase 182 4.41 Die Enthalpie als Funktion von p und T 183 4.42 Die Druckabhängigkeit der spez. Wärmekapazität Cj, 184 4.43 Die Entropie als Funktion von p und T 185 4.44 Die Drosselung realer Gase 186 4.6 Der feste Zustand 190 4.51 Schmelzen und Erstarren 190 4.52 Sublimieren 190 4.53 Die spez. Wärmekapazität fester Körper 191 5. Ideale Gase, Gas- und Gas Dampf-Gemische 5.1 Ideale Gase 193 6.11 Thermische und kalorische Zustandsgieichung 193 6.12 Die allgemeine Gaskonstante 194 5.13 Normzustand und Normkubikmeter 196 5.14 Die Molwärmen idealer Gase 196 5.15 Mittlere spez. Wärmekapazitäten 198 5.16 Isentrope Zustandsänderungen idealer Gase 200 5.2 Gemische idealer Gase 201 5.21 Masse- und Molanteile. Partialdrücke 201 5.22 Das Gesetz von DALTON 203 6.23 Partialvolume. Volumenanteüe 204 5.24 Die kalorischen Zustandsgrößen 206 5.25 Die Entropie des Gasgemisches 206 5.26 Die Irreversibilität des Mischungsprozesses 209 5.3 Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft 212 6.31 AUgemeines 212 6.32 Der Sättigungsdruck des Dampfes 213 5.33 Der Taupunkt 216 5.34 Feuchte Luft 216 5.35 Der Wassergehalt feuchter Luft 217 5.36 Absolute und relative Feuchte 219 6.37 Das spez. Volumen feuchter Luft 222 5.38 Die spez. Enthalpie feuchter Luft 223 6.4 Das j,a;-diagramm für Gas Dampf-Gemische 226 5.41 Das Gebiet der ungesättigten feuchten Luft 226 6.42 Das Nebelgebiet 228/ 6.43 Änderung des Gesamtdrucks 231 6.44 i,a;-diagramme für andere Gas Dampf-Gemische 231 6. Prozesse in offenen Systemen 6.1 Strömungsprozesse 234 6.11 Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr 234 6.12 Vemaohlässigtmg der kinetischen Energie 236 6.13 Erwärmung imd Abkühlung feuchter Luft 239 6.2 Adiabate Strömungsprozesse 240 6.21 Allgemeine Gleichungen 240 6.22 Beschleunigte Strömung. Strömungswirkungsgrade 241 6.23 Verzögerte Strömimg 244 6.24 Adiabate Rohrströmung 246 6.25 Der gerade Verdichtungsstoß 250
XII Inhaltsverzeichnis G.3 Strömungsprozesse mit isentroper Zustandsänderung 262 6.31 Die Schallgeschwindigkeit 262 6.32 Querschnittsflächen bei reibungsfreier Düsen- und Diffusorströmung 264 6.33 Der Sonderfall des idealen Gases 268 6.34 Strömungszustand in einer nicht erweiterten Düse bei verändertem Gegendruck 262 6.35 Strömungszustand in einer erweiterten (Laval-)Düse bei verändertem Gegendruck 263 6.4 Mischungsprozesse 267 6.41 Masse-, Energie- und Entropie-Bilanzen 267 6.42 Mischung zweier Ströme feuchter Luft 271 6.43 Zusatz von Wasser und Wasserdampf zu feuchter Luft 273 6.0 Adiabate Arbeitsprozesse 276 6.51 Vernachlässigung der kinetischen Energie 276 6.62 Adiabate Expansion. Turbine 276 6.53 Arbeitsverlust bei nichtisentroper Expansion. Turbinenwirkungsgrad 277 6.54 Adiabate Kompression. Verdichter 280 6.65 Arbeitsverlust, Exergie Verlust und Reibungsarbeit 282 6.6 Nichtadiabate Arbeitsprozesse 286 6.61 Isotherme Verdichtung und Expansion 286 6.62 Ersatz der isothermen Verdichtung durch mehrstufige adiabate Verdichtung 288 7. Thermodyiuamik der Kälteerzeugung 7.1 Die Grundaufgabe der Kältetechnik 292 7.11 Kälteerzeugung bei konstanter Temperatur 292 7.12 Kälteerzeugung bei gleitender Temperatur 294 7.13 Die Kältemaschine 296 7.2 Die Kaltdampf-Kältemaschine 299 7.21 Kältemittel für Kaltdampf-Kältemaschinen 300 7.22 Die ümkehrung des Carnot-Prozesses 301 7.23 Der Kreisprozeß der Kaltdampf-Kältemaschine 302 7.24 Prozeßverbesserung durch Unterkühlung des kondensierten Kältemittels 308 7.3 Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen 313 7.31 Die Gaskältemaschine mit adiabater Entspannung 313 7.32 Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung 317 7.33 Die Philips-Gaskältemaschine 320 8. Verbrennungsprozesse 8.1 Allgemeines 321 8.2 Mengenberechntmgen bei vollständiger Verbrennung 323 8.21 Die Verbrennungsgleichungen 323 8.22 Gemische chemisch einheitlicher Stoffe 324 8.23 Feste und flüssige Brennstoffe 326 8.24 Feuerungskontrolle durch Abgasanalyse 328 8.3 Heizwert und theoretische Verbrennungstemperatur 329 8.31 Der Heizwert der Brennstoffe 329 8.32 Oberer und unterer Heizwert 331 8.33 Heizwert von Gemischen und Verbindungen 332 8.34 Das Q,^Diagramm und die Temperaturabhängigkeit des Heizwertes 334 8.36 Die theoretische Verbrennungstemperatur 336
Inhaltsverzeichnis XIII 8.4 Die thermodynamische Bewertung der Verbrennungsprozesse 339 8.41 Die reversible cliemische Reaktion 339 8.42 Absolute Entropien. NBKNSTsches Wärmetheorem 341 8.43 Die Exergie der Brennstoffe 345 8.44 Das S, S-Diagramm für Verbrenirangsprozesse 351 8.46 Der Exergieverlust bei der adiabaten Verbrennung 366 9. Thermodynamik der Wärme- und Verbrennungs-Kraftanlagen 9.1 Die Umwandlung chemischer und nuklearer Energie in Nutzarbeit und elektrische Energie 359 9.11 Übersicht über die Umwandlungsverfahren 359 9.12 Wärme- und Verbrennungs-Kraftanlagen 362 9.2 Die einfache Dampfkraftanlage 364 9.21 Der Dampferzeuger. 364 9.22 Der Kreisprozeß des Wassers 370 9.23 Der exergetische Gesamtwirkungsgrad und seine Begrenzung durch die Endnässe 376 9.3 Verbesserungen der einfachen Dampfkraftanlage 379 9.31 Zwischenüberhitzung 379 9.32 Kombinierte Luft- und Speisewasservorwärmung 382 9.33 Das moderne Dampfkraftwerk 387 9.4 Gaskraftanlagen 387 9.41 Die geschlossene Gasturbinenanlage 388 9.42 Die offene Gasturbinenanlage 393 9.43 Verbesserungen des Gasturbinenprozesses 398 9.44 Das Gasturbinen-Strahltriebwerk 401 10. Anhang: Größen und Einheiten der Thermodynamik. Tabellen 10.1 Größen und Größengleichungen 40B 10.11 Dimension, Größe und Einheit 406 10.12 Größengleichungen 407 10.13 Grundgrößenarten und Grundeinheiten 410 10.14 Masse, Gewicht und Gewichtskraft 413 10.15 Die Stoffmenge und ihre Maße 415 10.2 Einheitensysteme 418 10.21 Einheiten und Einheitensysteme 418 10.22 Das Internationale Einheitensystem 420 10.23 Das Technische Emheitensystem 422 10.24 Einheitentafehi 424 10.3 Tabellen 127 10.31 Allgemeine Angaben 427 10.32 Eigenschaften idealer Gase y.... 427 10.33 Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf 434 10.34 Stoffwerte für die Berechnung von Verbreimungsprozessen... 436 Sachverzeichnis 439