Einführung in die technische Thermodynamik Von Dr.-Ing. Ernst Schmidt o. Professor an der Technischen Hochschule Danzig Mit 182 Abbildungen im Text und 2 Dampf tafeln Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ISBN 978-3-662-35951-8 ISBN 978-3-662-36781-0 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-36781-0 Alle Rechte, insbesondere das der übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright Springer-Verlag Berlin Heide1berg 1936 Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1936. Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1936
Vorwort. Das vorliegende Buch ist ein Lehrbuch der technischen Thermodynamik, insbesondere für Studierende und zum Selbststudium. Es ist aus meinen Vorlesungen an der Technischen Hochschule Danzig hervorgegangen und behandelt die Thermodynamik etwa in dem Umfang, wie es in einer sich über zwei Semester erstreckenden Vorlesung möglich ist. Besonderes Gewicht wurde auf die erschöpfende Behandlung der Grundlagen gelegt. Vor allem der zweite Hauptsatz, dessen völlige Erfassung den Studierenden erfahrungsgemäß am meisten Schwierigkeit macht, wurde von verschiedenen Seiten her entwickelt. Dabei habe ich versucht, auch die neueren Darstellungen von M. PLANCK und CARATHEODORY dem Ingenieur verständlich zu machen. Bei der starken Entwicklung der angewandten Thermodynamik in den letzten Jahrzehnten, die einerseits zahlreiche neue Anwendungen fand, andererseits auf ihren alten Gebieten die Grenzen der benutzten Drucke und Temperaturen stark erweiterte, zwang die Fülle des Stoffes zur Beschränkung, wenn der Umfang nicht über das für eine Einführung geeignete Maß hinaus anwachsen sollte. Es wurde aber angestrebt, den Leser an die heute im Vordergrund des praktischen Interesses stehenden Fragen heranzuführen, dazu gehört besonders auch das Gebiet der Wärmeübertragung. Der Aufbau des Buches ist dem Bedürfnis des an den Anwendungen interessierten Ingenieurs angepaßt. Es wird daher nicht zunächst das ganze Begriffssystem der Thermodynamik in axiomatischer Weise abgeleitet, sondern an die entwickelten Sätze werden jeweils die damit schon erreichbaren Anwendungen angeschlossen. Übungsaufgaben sollen zu eigenem Rechnen anleiten. In der Thermodynamik wurde leider bisher oft mit nicht dimensionsrichtigen Formeln gearbeitet, was die Umrechnung auf andere Einheiten sehr erschwerte. In diesem Buch sind, abgesehen von wenigen, durch die Rücksicht auf fremde Quellen begründeten Ausnahmen, auf die stets ausdrücklich hingewiesen ist, alle Formeln als Größengleichungen geschrieben. In den Anwendungsbeispielen wurde versucht, dem Leser die Wichtigkeit der dimensionsrichtigen Behandlung der Formeln auch bei der Zahlenrechnung klarzumachen. In den Tabellen und Kurventafeln, die bei der gebotenen Raumbeschränkung keinen Anspruch auf Vollständigkeit machen können, sind die neuesten Arbeiten berücksichtigt. Insbesondere wurden die spektro-
IV Vorwort. skopischen Werte der spezifischen Wärmen der Gase und die Vereinbarungen der Internationalen Dampftafelkonferenz 1934 in New York über die Eigenschaften des Wasserdampfes zugrunde gelegt. Die Dampftafeln und das Mollier-Diagramm des Wasserdampfes sind nach diesen Vereinbarungen neu berechnet. Auf Schrifttumangaben im Text ist im allgemeinen verzichtet, nur bei neueren Arbeiten, die noch nicht in die zusammenfassenden Darstellungen übergegangen sind, wurden Quellen angegeben. Das Buch soll zugleich das bekannte Werk von SCHULE ersetzen, das für eine ganze Generation von Ingenieuren das meist benutzte thermodynamische Buch in Deutschland gewesen ist und von dem keine Neuauflagen mehr beabsichtigt sind. Es ist geplant, dieser Einführung in einiger Zeit einen 2. Band folgen zu lassen, in dem weitergehende Sonderfragen der Thermodynamik behandelt werden und der dem Ingenieur zugleich den Zu gang zu den chemischen Anwendungen der Thermodynamik eröffnen soll. Der Verlagsbuchhandlung Julius Springer danke ich für die verständnisvolle und sorgfältige Ausführung des Druckes. Danzig-Langfuhr, im Juni 1936. ERNST SCHMIDT.
Inhaltsverzeichnis. I. Temperatur und Wärmemenge. Seite 1. Einführung des Temperaturbegriffs, die Temperaturskala des vollkommenen Gases _... I 2. Die gesetzliche Temperaturskala 3 3. Praktische Temperaturmessung 7 a) Flüssigkeitsthermometer. 7 b) Widerstandsthermometer. 8 c) Thermoelemente 9 d) Strahlungsthermometer 11 4. Maßsysteme und Einheiten.... 11 5. Wärmemenge und spezifische Wärme 14 Aufgabe I 11. Erster Hauptsatz der Wärmelehre. 6. Das mechanische Wärmeäquivalent. Energieeinheiten....... 15 Aufgabe 2-3. 7. Das Prinzip der Erhaltung der Energie und die mechanische Deutung der Wärmeerscheinungen................... 18 III. Der thermodynamische Zustand eines Körpers 8. pie thermische Zustandsgleichung. Zustandsgrößen... 22 9. Außere Arbeit, innere Energie und Wärmeinhalt oder Enthalpic 25 10. Die kalorischen Zustandsgleichungen............ 28 IV. Das vollkommene Gas. 11. Die Gesetze von BOYLE-MARIOTTE und GAy-LuSSAC und die thermische Zustandsgleichung der vollkommenen Gase......... 30 12. Die Gaskonstante und das Gesetz von A VOGADRO........ 33 13. Die Zustandsgleichung von Gasgemischen............ 35 14. Die Abweichungen der wirklichen Gase von der Zustandsgleichung des vollkommenen Gases..................... 36 15. Die spezifischen Wärmen und die kalorischen Zustandsgleichungen der vollkommenen Gase............. 38 16. Die spezifischen Wärmen der wirklichen Gase....... 42 17. Einfache Zustandsänderungen vollkommener Gase..... 45 a) Zustandsänderung bei konstantem Volumen oder Isochore 45 b) Zustandsänderung bei konstantem Druck oder Isobare.. 46 c) Zustandsänderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme. 46 d) Adiabatische Zustandsänderung......... 47 e) Polytropische Zustandsänderung......... 49 f) Graphische Konstruktion der Polytrope und Adiabate nach BRAUER........................ 51 18. Ermittlung des Temperaturverlaufes und des poly tropischen Exponenten bei empirisch gegebenen Zustandsänderungen....... 52 19. Das Verdichten von Gasen und der Arbeitsgewinndurch Gasentspannung........................... 54 Aufgabe 4-10. V. Kreisprozesse. 20. Die Umwandlung von Wärme in Arbeit durch Kreisprozesse. 59 21. Der Carnotsche Kreisprozeß und eines Anwendung auf das vollkommene Gas................. 60 22. Die Umkehrung des Carnotschen Kreisprozesses......... 63
VI Inhaltsverzeichnis. VI. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre. Seite 23. Umkehrbare und nicht umkehrbare Vorgänge...... 64 24. Der Carnotsche Kreisprozeß mit beliebigen Stoffen....... 69 25. Die Temperaturskala des vollkommenen Gases als thermodynamische Temperaturskala... 71 26. Beliebige Kreisprozesse, Arbeitsverlust bei nicht umkehrbaren Prozessen...................... 71 27. Die Entropie als Zustandsgröße. Das Clausiussche Integral des umkehrbaren Kreisprozesses.................... 72 28. Die Entropie als vollständiges Differential und die absolute Temperatur als integrierender Nenner............... 74 29. Ableitung des Wirkungsgrades eines Carnotschen Kreisprozesses und der absoluten Temperaturskala ohne Benutzung der Eigenschaften des vollkommenen Gases................... 79 30. Einführung der absoluten Temperaturskala und des Entropiebegriffes ohne Hilfe von Kreisprozessen._.............. 84 31. Die Entropie der Gase und anderer Körper......... 87 32. Die Entropiediagramme... 90 33. Das Entropie-Diagramm der Gase................ 92 34. Das Verhalten der Entropie bei nicht umkehrbaren Vorgängen. Der zweite Hauptsatz als das Prinzip der Vermehrung der Entropie 93 35. Spezielle nicht umkehrbare Prozesse... 97 a) Reibung.............. 97 b) Wärmeleitung unter Temperaturgefälle 97 c) Drosselung............. 98 d) Mischung und Diffusion.................. 101 36. Die maximale Arbeit von physikalischen und chemischen Zustandsänderungen....................... 103 Aufgabe 11-18. 37. Statistische Deutung des zweiten Hauptsatzes......... 107 a) Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit eines Zustandes... 107 b) Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit... 111 c) Die endliche Größe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit, Quantentheorie, Nernstsches Wärmetheorem......... 113 vrr. Anwendung der Gasgesetze und der beiden Hauptsätze auf Gasmascbinen. 38. Der technische Luftverdichter................. 114 a) Schädlicher Raum, Füllungsgrad... 115 b) Drosselverluste..................... 117 c) Liefergrad, Förderleistung, Wandungswirkungen, Undichtheiten. 118 d) Mehrstufige Verdichter......... 119 e) Wirkungsgrade............ 120 39. Die Heißluftmaschine... 120 40. Die Arbeitsprozesse bei Verbrennungsmotoren 123 a) Der Verpuffungsprozeß 124 b) Der Gleichdruckprozeß... 126 c) Der gemischte Vergleichsprozeß... 128 d) Der Einf!)1ß der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme und der Anderung der Gaszusammensetzung......... 129 e) Abweichungen des Vorgangs in der wirklichen Maschine vom theoretischen Vergleichsprozeß................ 130 Aufgabe 19--22 vm. Die Eigenschaften der Dämpfe. 41. Gase und Dämpfe, der Verdampfungsvorgang und die P, v, T-Diagramme......................... 131 42. Die kalorischen Zustandsgrößen von Dämpfen....... 138 43. Tabellen und Diagramme der Zustandsgrößen von Dämpfen 141
Inhaltsverzeichnis. 44. Einfache Zustandsänderungen von Dämpfen. a) Isobare Zustandsänderung.... b) Isochore Zustandsänderung.... c) Adiabatische Zustandsänderung d) Drosselung.............. 45. Die Gleichung von CLAUSIUS und CLAPEYRON 46. Das schwere Wasser.......... Aufgabe 23-28. VlI Seite 146 147 147 148 150 151 153 IX. Das Erstarren und der feste Zustand. 47. Das Gefrieren und der Tripelpunkt... 154 48. Die spezifische Wärme fester Körper....... 155 49. Der Absolutwert der Entropie und der Nernstsche Wärmesatz 156 X. Anwendungen auf die Dampfmaschine. 50. Die theoretische Arbeit des Dampfes in der Maschine........ 157 51. Wirkungsgrade, Dampf- und Wärmeverbrauch... 162 52. Der Einfluß von Druck und Temperatur auf die Arbeit des Clausius Rankine-Prozesses...................... 163 53. Die 'Abweichungen des Vorganges in der wirklichen Maschine vom theoretischen Arbeitsprozeß............... 166 a) Verluste durch Wärmeströmung unter Temperaturgefälle. 167 b) Verlust durch unvollständige Expansion........ 168 c) Wandverluste.................... 169 d) Drosselverluste................... 172 e) Verluste durch schädlichen Raum... 173 54. Trennung der Verluste durch Vergleich des Indikatordiagrammes mit dem theoretischen Prozeß................... 174 55. Die Übertragung des Indikatordiagrammes in das T,s-Diagramm.. 175 56. Der Wärmeübergang im Zylinder und die Vorteile des überhitzten Dampfes........................ 178 57. Konstruktive Maßnahmen zur Verminderung der Wandverluste 179 a) Der Dampfmantel... 179 b) Die mehrstufige Expansion und die Zwischenüberhitzung.. 179 c) Die Gleichstrommaschine... 180 58. Besondere Arbeitsverfahren.................. 181 a) Die Verwendung von Dampf in der Nähe des kritischen Zustandes 181 b) Die Carnotisierung des Clausius-Rankine-Prozesses durch stufenweise Speisewasservorwärmung............... 182 c) Quecksilber und andere Stoffe hohen Siedepunktes als Arbeitsmittelfür Kraftanlagen...,. 184 d) Binäre Gemische als Arbeitsmittel....., 186 59. Die Umkehrung der Dampfmaschine...... 186 a) Die reversible Heizung und die Wärmepumpe. 187 b) Die Kaltdampfmaschine als Kältemaschine 188 Aufgabe 29-32. XI. Zustandsgleichungen von Dämpfen. 60. Die van der Waalssche Zustandsgleichung... 190 61. Zustandsgleichungen des Wasserdampfes............ 195 62. Die Beziehungen der kalorischen Zustandsgrößen zur thermischen Zustandsgleichung...................... 198 63. Die Entropie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen..... 199 64. Der Wärmeinhalt und die innere Energie als Funktion der einfachen Zustandsgrößen....................... 204 65. Die spezifischen Wärmen als Funktion der einfachen Zustandsgrößen 206 66. Die Ermittlung der kalorischen Zustandsgleichung aus kalorischen Messungen......................... 208
VIII Inhaltsverzeichnis. XII. Strömende Bewegung von Gasen und Dämpfen. Seite 67. Laminare und turbulente Strömung, Geschwindigkeitsverteilung und mittlere Geschwindigkeit................. 210 68. Kontinuitätsgleichung, Umwandlung von Druckenergie in lebendige Kraft... 212 69. Meßtechnische Anwendungen, Staurohr, Düse und Blende... 215 70. Wärmeinhalt und lebendige Kraft der Strömung... 219 71. Die Reibungsarbeit der Strömung............... 220 72. Die Strömung eines vollkommenen Gases durch Düsen und Mündungen 222 73. Die Schallgeschwindigkeit in Gasen und Dämpfen 225 74. Die erweiterte Düse nach DE LAVAL.... 228 75. Andere Behandlung der Düsenströmung 231 76. Die Lavaldüse bei unrichtigem Gegendruck 233 Aufgabe 33-37. XIII. Die Verbrennungserscheinungen. 77. Allgemeines, GrlfIldgleichungen der Verbrennung, Heizwerte... 237 78. Sauerstoff- und Luftbedarf der vollkommenen Verbrennung, Menge und Zusammensetzung der Rauchgase... 240 79. Die Beziehungen zwischen der Zusammensetzung der trockenen Rauchgase, der Zusammensetzung des Brennstoffes und dem Luftüberschuß.......................... 245 80. Die Abhängigkeit der Verbrennungswärme von Temperatur und Druck 247 81. Verbrennungstemperatur und Wärmeinhalt der Rauchgase... 249 82. Das i, t-diagramm und die näherungsweise Berechnung der Verbrennungsvorgänge........................ 251 83. Unvollkommene Verbrennung......... 254 84. Einleitung und Ablauf der Verbrennung..... 254 Aufgabe 38--42. XIV. Die Grundbegriffe der Wärmeübertragung. 85. Allgemeines................ 86. Stationäre Wärmeleitung.......... 87. Wärmeübergang und Wärmedurchgang.... 88. Nic~~ stationäre Wärmeströmungen..... 89. Die Ahnlichkeitstheorie der Wärmeübertragung 90. Einzelprobleme der Wärmeübertragung... XV. Die Wärmeübertragung durch Strahlung. 91. Grundbegriffe, Gesetz von Kirchhoff. 92. Die Strahlung des schwarzen Körpers 93. Die Strahlung technischer Oberflächen 94. Der Wärmeaustausch durch Strahlung. 95. Die Strahlung beim Wärmedurchgang durch Luftschichten Aufgabe 43--45. 257 258 261 262 268 273 277 279 281 282 287 Anhang: Dampf tabellen und Tafeln. Tabelle la und Ib. Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung... 290 11. Spezifisches Volumen des Wassers und des überhitzten Dampfes....................... 298 111. Enthalpie oder Wärmeinhalt des Wassers und des überhitzten Dampfes.... ".................. 299 IV. Zustandsgrößen von Ammoniak bei Sättigung... 300 " V. Zustandsgrößen von Kohlensäure bei Sättigung... 301 Tafel A. Mollier-( i, 8)-Diagramm von Wasserdampf. } Befinden sich am Schluß " B. Mollier-(log p, i)-diagramm von Ammoniak des Buches in der Tasche Lösungen der Aufgaben 301 Schrifttum........................... 310 Namen- und Sachverzeichnis... 311