Heinz Herwig Christian H. Kautz Technische Thermodynamik PEARSON.~~f~~~., Studium" ein Imprint von Pearson Education München Boston e san Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam
,., ------------------ " Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Kapitel 1 Das Buch und sein Konzept 13 1.1 Um fa ng des vorliegenden Buches 14 1.2 Inhalt des vorliegenden Buches................ 14 1.3 Form des vorliegenden Buches....................................... 15 Kapitel 2 Einführende Vorbemerkungen/Beispiele 17 2.1 Was ist Thermod ynamik? 18 2.2 Ist Thermodynamik ein..schwieriges Fach"?......................... 19 2.3 Stat istische/phänomenologische Thermodynamik. 2.4 Thermodynamisches Gleichgewicht - grund legende Definitionen. 2.5 Beispiele aus dem Alltag. 2.6 Beispiele aus technischen Anwendungen. Kapitel 3 Das thermodynamische Verhalten von Stoffen 3.1 Zustan dsgröß en. Zustandsgleic hungen. 3.2 Druck, spezifi sches Volumen und Temperatur. 3.3 Ideales Gas (Modellgasl. 3.4 Reale Gase. 3.5 Inkompressible Flüssigkeit (Modellfl üssigkeit). Fragen - Stimmt es. dass 1. Kapitel 4 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 4.1 Der thermod ynamische Energiebegriff. 4.2 Der 1. Hauptsatz als Bilanz der thermodynam ischen Gesamtenergie. 4.3 Erläuterungen zum 1. Hauptsatz. 4.4 1. Hauptsatz für geschlossene Syst eme. 4.4.1 Die thennodynamische Gesamtenergie und ihre Anteile. 4.4.2 Prozessgröße Arbeit. 4.4.3 Prozessgröße Wärme. 4.5 I. Hauptsat z für offene Systeme. 4.5.1 Massenbilan z. 4.5.2 Spezielle Formen des 1. Haup tsatzes für offe ne Systeme. 4. 5.3 Mechanische Teilenergiegleichung. 4.5.4 Thermische Teilenergiegleichung..
INHALTSVERZEICHNIS 4.6 Polytrope Zustandsänderungen idealer Gase. Fragen - Stimmt es, dass?. Kapitel 5 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik 5.1 Die thermodynamische Größe Entropie. 5.2 Der 2. Hauptsatz als Bilanz d er En trop ie. 5.3 Erläuterungen zum 2. Hauptsatz. 5.3.1 Entropieänderung durch Wärmeübertragung IAq,., S). 5.3.2 Entropieproduktionlö j.s öl. 5.3.3 Materieller Entropietransport (ßl;;.SJ.............. 5.4 Spezielle Formen des 2. Hauptsatzes.. 5.4.1 Der zweite Hauptsatz für geschlossene Systeme. 5.4.2 Der 2. Hau ptsatz für offene Systeme. 5.5 Erläuterungen zur Prozessgröße \Värme. 5.5.1 Irreversible \Vänneübertragu ng. 5.5.2 \Värmeübergang zwischen zwe i Systemen im thermischen Kontakt miteinander. 5.5.3 T hermodynami sche M itteltemperat ur der \Värmeübertragung. 5.6 Umwandelbarkeif von w ärme in Nutzarbeit. 5.6.1 Das Prinzip der Wärmekraftmaschine. 5.6.2 Thermischer Wirkungsgrad, Carnot-Fektor. 5.7 Exergie und Anergie. 5.7.1 Qualitative Angaben zur Exergie und Anergie. 5.7.2 Quantitative Angaben zu r Exergie und Anergie. 5.7.3 Exergetische Wirkungsgrad e.. 5.7.4 Bilanzen für thermodynami sche Systeme, Flu ssdiagramme. Fragen - Stimmt es, dass?. Kapitel 6 Thermodynamische Zustandsgleichungen reiner Stoffe 6.1 Thermodynamische Zustandsgleichungen. 6.1.1 Thermische Zustandsgleichung (p. v; T-Daten). 6.1.2 Kal orische Zustandsgleichung. 6.1.3 Entropie-Zustandsgleichung. 6.2 Thermodynamische Fundamental gleichungen. 6.2.1 Die Fundamentalgleichung u = u (s, v ). 6.2.2 All ernative Formen der Fundamentalgleichung. 6.2.3 Reziprozitäts- und Maxwell-Beziehungen. 6.3 Phasengleichgewicht. 66 71 72 76 81 82 83 85 85 87 90 90 9 1 9 1 92 92 93 95 9 7 98 98 100 101 102 104 105 106 107 108 113 114 115 122 125 127 128 129 130 131 134 6
,, Inhaltsverzeichnis, + Fragen - Stimmt es, dass?. Kapitel 7 Ideale Gas- und Gas-Dampf-Gemische 7.1 Definitio nen. 7.2 Die Zustandsgleich ungen idealer Gasgemische. 7.2.1 Thermische Zus tandsgleich ung. 7.2.2 Kalori sche Zustandsgleich ung. 7.2.3 Entropie-Zu standsgleichung. 7.3 Ideal e Gas-Damp f-gemische. 7.3.1 Ungesättigte und gesättigte Gas-Dampf-Gemische. 7.4 Feuchte Luft. 7.4. 1 Spezielle Maßangaben. 7.4.2 Spezifische Größen feuchter Luft. 7.4.3 Das h 1+X. X-Diagramm feuchter Luft. 7.4.4 Typi sche Prozesse m it feuchter Luft. 7.4.5 Kü hlgrenz- und Feuch tkugeltemp eraturen. 7.4.6 Das Psychrometer-Messprinzip. Zusam menfassu ng. Fragen - Sti mmt es, dass?. Kapitel 8 Thermodynamische Kreisprozesse 8.1 Kreisprozesse in technischen Anlagen. 8.2 Energie- und Entropiebilanzen für Kreisprozesse. 8.2.1 Energiebilanz für Kreisprozesse. 8.2.2 Entro piebilanz für Kreisprozesse. 8.3 Ideali sierte Vergleichsprozesse. 8.3.1 Der Carnot-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess). 8.3.2 Der Joule-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess). 8.3.3 Der Claustus-Rankine-Prozess (idealisierter Vergleichsprozess). 8.3.4 Der Seiliger-Prozess (idealisierter Vergleich sprozess). 8.4 Kre isprozess-systematik. Fragen - Stimmt es. dass 1. Kapitel 9 Arbeitsprozesse (rechtsläufige Kreisprozesse) 9.1 Definition en. 9.2 \Värmekraftmaschinen und -anlagen. 9.2.1 Geschlossene Gasturbinenanlagen. 9.2.2 Einfache Dampfkraftanlage. 135 136 141 14 2 144 14 5 145 146 146 14 7 149 150 152 155 157 163 167 169 170 173 181 182 184 186 188 188 190 190 193 193 195 198 199 199 201 202 204 205 208
9.2.3 Verbesserte Dampfkraftanlage: Zwischenüberhitzung und Speisewasser-Vorwärmung 212 9.2.4 Kernkraftwerke................................................ 215 9.2.5 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bei Wärmekraftanlagen 21 6 9.2.6 Wirkungsgrade von Wärmekraftanlagen 217 9.3 Verbrennungskraftmaschinen und -anlagen 219 9.3.1 Offene Gasturbinenanlagen...................................... 220 9.3.2 Otto- und Dieselmotoren 222 9.3.3 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bei Verbrennungsmotoren.... 225 9.4 Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerke (GuD)........................... 226 Zusammenfassung 229 Fragen - Stimmt es, dass? 230 Diskussion der Fragen 233 Kapitel 10 Wärmeprozesse (linksläufige Kreisprozesse) 241 10.1 Definitionen 242 10.2 Energetische und exergetische Aspekte des Heizens und Kühlens 243 10.3 Heizen mit \Värme pum pen............................................... 247 10.3.1 Kompressions-w ärmepum pen................................... 248 10.3.2 Wärmepumpen im Vergle ich mit a nderen Hei zsystemen 251 10.4 Küh len mit Kältemasch inen 251 10.4.1 Kompressions Kältemaschi nen.................................. 253 Zusammen fassu ng 257 Fragen - Sti mmt es, dass? 258 Diskussion der Fragen 259 Kapitel 11 Stationäre Strömungen 263 11.1 Eindimensionale Näherung in durchströmten Querschnitten............ 264 11.2 Glei ch ungen für eindimensionale Durchströmungen..................... 266 11.3 Strömungen ohne Energietransfer 269 11.3.1 Inkompressible Strömungen ohne Energietransfer............... 269 11.3.2 Kompressible Strömungen ohne Energietransfer 271 11.4 Strömungen mit Energietransfer 278 11.4.1 In kompressible Strömungen mit Energietransfer 278 11.4.2 Kompressible Strömungen mit Energietransfer 279 Zusammenfassung................................................... 281 Fragen - Stimmt es, dass? 282 Diskussion der Fragen....................................................... 285 Kapitel 12 Verbrennungsprozesse 291 12.1 Verbrennungsreaktionen und Mengenangaben........................... 292 12.2 Bilanzen bei Verbrennungsprozessen 295 8
,.,',, Inhaltsverzeichnis,. 'I 12,2.1 Stoffl iche Bilanzen,,........................... 295 12.2.2 Energetische Bilanzen, Feuerungsprozesse 295 12.2. 3 Exergetische Bilanz, Verbrennungskraftprozesse 299 Zusammenfassung 305 Fragen - Stimmt es, dass? 306.......................................................... 306 Anhang A Übungsaufgaben 309 A.1 DruckJuft tank zur Energiespeicherung................................... 309 A.2 \Värmerohr.................................................. 310 A.3 Kolben Lageveränderung................................................. 311 A.4 Energiebilanz fü r ein w ohnhaue 312 A.5 Erwärmu ng eines kon stanten 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 Auss trömen aus einem Leitungs-Leck 318 A.ll Methan-Verbrennung in einem OXYFUEL-Prozess................ 318 A.1 2 Berechnung des Verbrennu ngsprozesses in einem Ka lkofen 319 I ' Anhang B Anhang C Verzeichnis wichtiger Symbo le und Formelzeichen Verzeichnis der im Text gege be ne n Definitionen 321 327 Standardwerke zur Thermodynamik Sachregister 329 331