Keine Panik vor Thermodynamik!: Erfolg und Spaß im klassischen "Dickbrettbohrerfach" des Ingenieurstudiums
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Wiesbaden
Vieweg + Teubner
2009
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Titel: Keine Panik vor Thermodynamik!
Autor: Labuhn, Dirk
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen 1
1.1 Mathe für Thermodynamiker und -innen 1
1.2 Deutsch für Thermodynamiker (m/w) 2
1.2.1 Hier geht nix verloren - die Sache mit der Energie 4
1.2.2 Erstmal Bilanz ziehen 6
1.2.3 Zustandsgrößen und Prozessgrößen 9
1.2.4 Masse und Stoffmenge 11
1.2.5 Spezifische, intensive und extensive Größen 13
1.2.6 Zwei alte Bekannte 17
1.2.6.1 Druck 17
1.2.6.2 Temperatur 20
1.2.7 Kurze Prozesse! 23
2 Thermische Zustandsgieichungen 24
2.1 Ideal einfach - Das ideale Gasgesetz 25
2.2 Noch einfacher - Das inkompressible Fluid 28
2.3 Malen nach Zahlen - Zustandsdiagramme 29
2.3.1 Das p, v-Diagramm 31
2.3.2 Das T,v-Diagramm 35
2.3.3 Das p,T-Diagramm und die Antoine-Gleichung 3 6
2.4 Das Nassdampfgebiet aus der Nähe betrachtet 39
2.5 Weniger einfach - Kubische Zustandsgieichungen 43
2.6 Die lineare Interpolation 46
3 Unsere erste Bilanz, die Massenbilanz 48
4 Hauptsache Hauptsätze - Der 1. Hauptsatz 50
4.1 Rein oder raus? 56
4.2 Wie vereinfache ich meinen Hauptsatz? 60
4.3 Über Wärme und Arbeit 63
4.4 Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme 68
4.5 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme 69
4.6 Beispiele für Energiebilanzen 73
IX
4.6.1 Ein quasi-stationärer Fließprozess 73
4.6.2 Ein klassischer stationärer Fließprozess 74
4.6.3 Ein instationärer Fließprozess 76
4.6.4 Noch ein stationärer Prozess 78
4.7 Energie wirkt immer! 80
5 Wenn das Nudelwasser überkocht und ähnliche Dramen 82
5.1 Im Namen des Stoffgesetzes - Kalorische Zustandsgieichungen 82
5.1.1 Kalorische Zustandsgieichung idealer Gase 86
5.1.2 Zustandsänderungen beim idealen Gas 91
5.1.2.1 Isotherme Zustandsänderung 93
5.1.2.2 Isochore Zustandsänderung 96
5.1.2.3 Isobare Zustandsänderung 97
5.1.2.4 Isentrope Zustandsänderung 99
5.1.3 Kalorische Zustandsgieichung inkompressibler Fluide 103
5.2 Der Joule-Thomson Effekt 104
6 Hauptsätze und Nebensätze - Der 2. Hauptsatz 107
6.1 Entropie - Die Sache mit der Unordnung 108
6.2 Die Entropiebilanz 109
6.3 Die Berechnung von Entropieströmen 111
6.3.1 Die Fundamentalgleichung 112
6.3.2 Die Entropie der Materie 115
6.3.2.1 Entropiezustandsgieichung für das ideale Gas 117
6.3.2.2 Entropiezustandsgieichung für das inkompressible Fluid 117
6.3.3 Die Entropie der Wärme 118
6.3.4 Entropieerzeugung durch Dissipation 120
6.4 Der 2. Hauptsatz, ganz allgemein 121
6.5 Das T,s-Diagramm 122
6.6 Energie und Entropie im Nassdampfgebiet 125
6.7 Das h,s-Diagramm 129
6.8 Turbinen, Verdichter, isentrope Wirkungsgrade 130
7 Exergie und Anarchie 134
7.1 Exergie-Rechnereien 136
X
7.1.1 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems 13 6
7.1.2 Exergie und Anergie der Wärme 140
7.1.3 Exergie und Anergie eines Massenstroms 141
7.1.4 Ex und hopp - Exergieverluste 143
7.1.5 Der exergetische Wirkungsgrad 143
8 Wärmeübertragung 144
8.1 Wärmeleitung 144
8.2 Konvektion 145
8.3 Wärmestrahlung 147
9 Kreisprozesse 148
9.1 Linksherum und rechtsherum im Kreis 150
9.1.1 Wärmekraftmaschinen 151
9.1.1.1 Wirkungsgrade von Wärmekraftmaschinen 153
9.1.2 Kältemaschinen und Wärmepumpen 155
9.1.2.1 Leistungszahlen von Kältemaschinen/Wärmepumpen 156
9.2 Realisierungen rechts laufender Kreisprozesse 160
9.2.1 Der Streber - Carnot 161
9.2.2 Kreisprozesse die Gas geben 165
9.2.2.1 Ericsson-Prozess 165
9.2.2.2 Joule-Prozesse, offen oder geschlossen 169
9.2.2.3 Stirling-Prozess 174
9.2.3 On the road - Verbrennungsmotoren 181
9.2.3.1 Otto-Prozess 184
9.2.3.2 Diesel-Prozess 189
9.2.4 Kreisprozesse in XXL - Dampfkraftanlagen 193
9.2.4.1 Einfacher Dampfkraft- und Clausius-Rankine-Prozess 193
9.2.4.2 Dampfkraft-Prozess mit Zwischenüberhitzung 197
9.2.4.3 Dampfkraft-Prozess mit Speisewasservorwärmung 199
9.2.4.4 Der Gesamtwirkungsgrad von Dampfkraftanlagen 200
9.3 Realisierungen links laufender Kreisprozesse 202
9.3.1 Der Kompressorkühlschrank 202
9.3.2 Luftverflüssigung nach Linde 205
10 Gemischte Gefühle oder gefühlte Gemische 209
XI
10.1 Die Beschreibung von Gemischen 209
10.1.1 Die Bäckermethode 209
10.1.2 Die Erbsenzählermethode 211
10.1.3 Backerbsen - wiegen oder zählen? 211
10.2 Ideale Gemische von Gasen und von Flüssigkeiten 213
10.2.1 Das ideale Gasgemisch 213
10.2.2 Die ideale Lösung 222
10.2.3 Das Phasengleichgewicht 223
10.2.4 Siedediagramme für binäre Gemische 228
10.2.4.1 Das p,xy-Diagramm 229
10.2.4.2 Das T,xy-Diagramm 233
11 Nicht nur in den Tropen ein Problem - Feuchte Luft 236
11.1 Die Zusammensetzung von feuchter Luft 239
11.2 Stoffwerte von feuchter Luft 244
11.3 Zustandsänderungen feuchter Luft 247
11.3.1 Isobares Abkühlen feuchter Luft 249
11.3.2 Adiabates Mischen feuchter Luft 252
12 Verbrennungen dritten Grades 254
12.1 Das Sauerstoffangebot 256
12.2 Der Sauerstoffbedarf 257
12.2.1 Kohle, Koks und Konsorten 258
12.2.2 Gas, Grappa und Genossen 261
12.3 Erstmal tief Luft holen 261
12.4 Bilanzen bei der technischen Verbrennung 262
13 .und sonst? 270
14 Aufgaben mit Lösungsweg 272
14.1 Aufgaben zum idealen Gasgesetz 274
14.2 Aufgaben zum ersten Hauptsatz 279
14.3 Aufgaben zum Nassdampfgebiet 292
14.4 Aufgaben zum zweiten Hauptsatz 299
14.5 Aufgaben zur Exergie 308
14.6 Aufgaben zu Kreisprozessen 311
XII
14.7 Aufgaben zu Gemischen 318
14.8 Aufgaben zu feuchter Luft 324
14.9 Aufgaben zur Verbrennung 331
Literaturverzeichnis 339
Sachregister 342
XIII |
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