Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen
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Berlin [u.a.]
Springer
2002
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Inhaltsverzeichnis
Häufig verwendete Formelzeichen
1 Allgemeine Grundlagen
1 1 Thermodynamik
111 Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik
112 Was ist Thermodynamik?
1 2 System und Zustand
121 System und Systemgrenze
122 Zustand und Zustandsgrößen
123 Extensive, intensive, spezifische und molare Zustands-
größen, Dichten
124 Fluide Phasen Zustandsgleichungen
Prozesse
131 Prozeß und Zustandsänderung
132 Reversible und irreversible Prozesse
133 Der 2 Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der
Irreversibilität
134 Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible
Prozesse
135 Stationäre Prozesse
Temperatur
141 Thermisches Gleichgewicht und Temperatur
142 Thermometer und empirische Temperatur
143 Die Temperatur des idealen Gasthermometers
144 Celsius-Temperatur Internationale Temperaturskala
145 Die thermische Zustandsgleichung idealer Gase
XVII
1
1
1
9
11
11
13
16
20
21
21
23
26
27
29
30
31
33
36
39
42
X
Inhaltsverzeichnis
2 Der 1 Hauptsatz der Thermodynamik 44
2 1 Der 1 Hauptsatz für geschlossene Systeme 44
211 Mechanische Energien 44
212 Der 1 Hauptsatz Innere Energie 48
213 Die kalorische Zustandsgleichung der Fluide 51
214 Die Energiebilanzgleichung 54
2 2 Arbeit und Wärme 57
221 Mechanische Arbeit und Leistung 57
222 Volumenänderungsarbeit 58
223 Wellenarbeit 63
224 Elektrische Arbeit und Arbeit nichtfluider Systeme 65
225 Wärme und Wärmestrom 68
2 3 Energiebilanzgleichungen 71
231 Energiebilanzgleichungen für geschlossene Systeme 71
232 Massenbilanz und Energiebilanz für einen Kontrollraum 76
233 Instationäre Prozesse offener Systeme 82
234 Der 1 Hauptsatz für stationäre Fließprozesse 85
235 Enthalpie 88
3 Der 2 Hauptsatz der Thermodynamik 93
3 1 Entropie und Entropiebilanzen 93
311 Einführende Überlegungen 94
312 Die Formulierung des 2 Hauptsatzes durch Entropie
und thermodynamische Temperatur 97
313 Die Entropiebilanzgleichung für geschlossene Systeme 101
314 Die Irreversibilität des Wärmeübergangs und die
thermodynamische Temperatur 106
315 Die Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit
Wärmekraftmaschinen 112
316 Die Entropiebilanzgleichung für einen Kontrollraum 117
317 Die Entropiebilanzgleichung für stationäre Fließprozesse 121
3 2 Die Entropie als Zustandsgröße 125
321 Die Entropie reiner Stoffe 125
322 Die Messung thermodynamischer Temperaturen
und die Entropie idealer Gase 129
323 Das T,s-Diagramm 135
324 Fundamentalgleichungen und charakteristische
Funktionen 138
325 Gleichgewichts- und Stabilitätsbedingungen
Phasengleichgewicht 142
Inhaltsverzeichnis
XI
3 3 Die Anwendung des 2 Hauptsatzes auf Energieumwandlungen:
Exergie und Anergie 150
331 Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie 151
332 Die Definitionen von Exergie, Anergie und
thermodynamischer Umgebung 153
333 Die Rolle der Exergie in der Thermodynamik und ihren
technischen Anwendungen 157
334 Die Berechnung von Exergien und Exergieverlusten 160
335 Exergie und Anergie der Wärme 165
336 Exergie und Anergie eines Stoffstroms 170
337 Exergiebilanzen und exergetische Wirkungsgrade 172
4 Die thermodynamischen Eigenschaften reiner Fluide 178
4 1 Die thermischen Zustandsgrößen 178
411 Die p, v, T-Fläche 179
412 Das p, T-Diagramm und die Gleichung von
Clausius-Clapeyron 182
413 Die thermische Zustandsgleichung 186
414 Das Prinzip der korrespondierenden Zustände 191
415 Kubische Zustandsgleichungen 194
4 2 Das Naßdampfgebiet 200
421 Nasser Dampf 200
422 Dampfdruck und Siedetemperatur 202
423 Die spezifischen Zustandsgrößen im Naßdampfgebiet 204
4 3 Zwei Stoffmodelle: ideales Gas und inkompressibles Fluid 210
431 Die Zustandsgleichungen des idealen Gases 210
432 Die spezifischen Wärmekapazitäten idealer Gase 213
433 Entropie und isentrope Zustandsänderungen idealer Gase 216
434 Das inkompressible Fluid 219
4 4 Zustandsgleichungen, Tafeln und Diagramme 222
441 Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie mit
Hilfe der thermischen Zustandsgleichung 223
442 Fundamentalgleichungen 226
443 Schallgeschwindigkeit und Isentropenexponent 228
444 Tafeln der Zustandsgrößen 231
445 Zustandsdiagramme 233
5 Gemische und chemische Reaktionen 237
5 1 Mischphasen und Phasengleichgewichte 237
511 Größen zur Beschreibung der Zusammensetzung 238
XII
Inhaltsverzeichnis
512 Mischungsgrößen und die Irreversibilität des
Mischungsvorgangs 242
513 Partielle molare Größen 246
514 Die Gibbs-Funktion einer Mischphase 251
515 Chemische Potentiale Membrangleichgewicht 254
516 Phasengleichgewichte 260
517 Phasengleichgewichte in Zweistoffsystemen 262
5 2 Ideale Gemische 268
521 Ideale Gasgemische 268
522 Die Zustandsgleichungen idealer Gasgemische 270
523 Ideale Lösungen 274
524 Phasengleichgewicht Gesetz von Raoult 279
5 3 Ideale Gas-Dampf-Gemische Feuchte Luft 283
531 Der Sättigungspartialdruck des Wasserdampfes und der
Taupunkt 284
532 Absolute und relative Feuchte 288
533 Die Wasserbeladung 290
534 Das spezifische Volumen feuchter Luft 292
535 Die spezifische Enthalpie feuchter Luft 294
536 Das Enthalpie-Wasserbeladungs-Diagramm 298
537 Die spezifische Entropie feuchter Luft 301
5 4 Reale fluide Gemische 304
541 Realpotential und Fugazitätskoeffizient 305
542 Thermische Zustandsgleichungen für Gemische 309
543 Die Berechnung des Verdampfungsgleichgewichts
mit der thermischen Zustandsgleichung 312
544 Exzeßpotential und Aktivitätskoeffizient 314
545 Das Verdampfungsgleichgewicht bei mäßigen Drücken 318
546 Die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten 323
5 5 Chemisch reagierende Gemische 330
551 Reaktionen und Reaktionsgleichungen 330
552 Stöchiometrie 336
553 Reaktionsenthalpien und Standard-Bildungsenthalpien 341
554 Der 3 Hauptsatz der Thermodynamik 347
555 Die Anwendung des 2 Hauptsatzes auf chemische
Reaktionen 350
556 Chemische Exergien 353
5 6 Reaktionsgleichgewichte 358
561 Die Bedingungen des Reaktionsgleichgewichts 359
562 Das Reaktionsgleichgewicht in einfachen Fällen
Gleichgewichtskonstanten 365
Inhaltsverzeichnis
XIII
563 Gasgleichgewichte 369
564 Heterogene Reaktionsgleichgewichte 373
6 Stationäre Fließprozesse 377
6 1 Technische Arbeit, Dissipationsenergie und die Zustands-
änderung des strömenden Fluids 377
611 Dissipationsenergie und technische Arbeit 378
612 Polytropen Polytrope Wirkungsgrade 384
6 2 Strömungs- und Arbeitsprozesse 389
621 Strömungsprozesse 390
622 Adiabate Düsen und Diffusoren 397
623 Querschnittsflächen adiabater Düsen und Diffusoren 399
624 Adiabate Turbinen und Verdichter 404
625 Nichtadiabate Verdichtung 411
6 3 Wärmeübertrager 414
631 Die Anwendung des 1 Hauptsatzes 414
632 Die Temperaturen der beiden Fluidströme 417
633 Der Exergieverlust eines Wärmeübertragers 421
6 4 Thermische Stofftrennprozesse 423
641 Trocknen 423
642 Verdampfen und Eindampfen 430
643 Destillieren und Rektifizieren 433
644 Absorbieren 439
7 Verbrennungsprozesse,Verbrennungskraftanlagen 445
7 1 Mengenberechnung bei vollständiger Verbrennung 445
711 Brennstoffe und Verbrennungsgleichungen 446
712 Die Berechnung der Verbrennungsluftmenge 448
713 Menge und Zusammensetzung des Verbrennungsgases 452
7 2 Energetik der Verbrennungsprozesse 456
721 Die Anwendung des 1 Hauptsatzes 456
722 Heizwert und Brennwert 459
723 Die Enthalpie der Verbrennungsteilnehmer und das
h, f-Diagramm 462
724 Abgasverlust und Kesselwirkungsgrad 467
725 Die adiabate Verbrennungstemperatur 472
726 Die Exergie der Brennstoffe 474
727 Der Exergieverlust der adiabaten Verbrennung 478
7 3 Verbrennungskraftanlagen 481
731 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad 482
XIV
Inhaltsverzeichnis
732 Die einfache Gasturbinenanlage 484
733 Die genauere Berechnung des Gasturbinenprozesses 488
734 Die Gasturbine als Flugzeugantrieb 492
735 Verbrennungsmotoren 496
736 Brennstoffzellen 500
737 Brennstoffzellen-Systeme 509
8 Thermodynamik der Wärmekraftanlagen 515
8 1 Die Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie 515
811 Übersicht über die Umwandlungsverfahren 516
812 Thermische Kraftwerke 519
813 Kraftwerkswirkungsgrade 521
814 Kreisprozesse für Wärmekraftmaschinen 524
8 2 Dampfkraftwerke 530
821 Die einfache Dampfkraftanlage 530
822 Zwischenüberhitzung 537
823 Regenerative Speisewasservorwärmung 539
824 Das moderne Dampfkraftwerk 542
825 Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerke 544
826 Kernkraftwerke 547
8 3 Die C02-Emissionen der Stromerzeugung 550
831 Die Berechnung der C02-Emission 550
832 Ergebnisse 553
9 Thermodynamik des Heizens und Kühlens 556
9 1 Heizen und Kühlen als thermodynamische Grundaufgaben 556
911 Die Grundaufgabe der Heiztechnik und der Kältetechnik 556
912 Wärmepumpe und Kältemaschine 559
913 Wärmetransformation 563
9 2 Heizsysteme 566
921 Heizzahl und exergetischer Wirkungsgrad 566
922 Konventionelle Heizsysteme 569
923 Wärmepumpen-Heizsysteme 571
924 Kraft-Wärme-Kopplung Heizkraftwerke 574
9 3 Einige Verfahren zur Kälteerzeugung 577
931 Kältemittel 578
932 Kompressionskältemaschinen 580
933 Absorptionskältemaschinen 584
934 Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung 589
Inhaltsverzeichnis
XV
10 Mengenmaße, Einheiten, Stoffdaten 594
10 1 Mengenmaße 594
10 1 1 Masse und Gewicht 594
10 1 2 Teilchenzahl und Stoffmenge 595
10 1 3 Das Normvolumen 597
10 2 Einheiten 598
10 2 1 Die Einheiten des Internationalen Einheitensystems 598
10 2 2 Einheiten anderer Einheitensysteme
Umrechnungsfaktoren 602
10 3 Stoffdaten 603
Literatur 616
Sachverzeichnis |
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