Grundlagen der technischen Thermodynamik: Lehrbuch für Studierende der Ingenieurwissenschaften ; mit 46 Tabellen, 114 Beispiele sowie 89 Aufgaben und Lösungen
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IMAGE 1
I N H A L T S V E R Z E I C H N I S
1 T H E R M O D Y N A M I S C H E GRUNDBEGRIFFE 1
1.1 ANWENDUNGSGEBIETE DER THERMODYNAMIK 1
1.2 SYSTEM 3
1.3 ZUSTAND, ZUSTANDSGROESSEN, ZUSTANDSAENDERUNGEN 4
1.4 PROZESS, PROZESSGROESSEN 7
2 D E R E R S T E H A U P T S A T Z D E R T H E R M O D Y N A M I K 9
2.1 DAS PRINZIP VON DER ERHALTUNG DER ENERGIE 9
2.2 POTENTIELLE ENERGIE 10
2.3 KINETISCHE ENERGIE 13
2.4 ARBEIT 14
2.4.1 VOLUMENAENDERUNGSARBEIT 14
2.4.2 KUPPLUNGSARBEIT 16
2.4.3 VERSCHIEBEARBEIT 16
2.4.4 DRUCKAENDERUNGSARBEIT 17
2.4.5 REIBUNGSARBEIT 19
2.5 THERMISCHE ENERGIE 20
2.5.1 INNERE ENERGIE 21
2.5.2 WAERME 22
2.5.3 ENTHALPIE 23
2.6 ENERGIEBILANZEN 24
2.6.1 ENERGIEBILANZ FUER DAS GESCHLOSSENE SYSTEM 24
2.6.2 ENERGIEBILANZ FUER DAS OFFENE SYSTEM 26
2.7 WAERMEKAPAZITAET 30
2.7.1 SPEZIFISCHE WAERMEKAPAZITAET 31
2.7.2 DIE SPEZIFISCHE WAERMEKAPAZITAET DER GASE 34
3 D E R Z W E I T E H A U P T S A T Z DER T H E R M O D Y N A M I K 3 7
3.1 DIE AUSSAGE DES ZWEITEN HAUPTSATZES 37
3.1.1 REVERSIBLE UND IRREVERSIBLE PROZESSE 38
3.1.2 QUASISTATISCHE ZUSTANDSAENDERUNGEN 39
3.2 IRREVERSIBLE VORGAENGE 40
3.2.1 REIBUNG 40
3.2.2 TEMPERATURAUSGLEICH 41
3.2.3 DRUCKAUSGLEICH 41
3.2.4 DROSSELUNG 42
3.3 ENTROPIE 43
3.3.1 REVERSIBLE ERSATZPROZESSE ADIABATER PROZESSE 44
3.3.2 DIE BERECHNUNG DER ENTROPIEAENDERUNG 46
3.3.3 DIE ENTROPIE ALS ZUSTANDSGROESSE, TOTALES DIFFERENTIAL 46
3.4 DIE ENTROPIEAENDERUNG DER IRREVERSIBLEN VORGAENGE 49
3.4.1 REIBUNG 49
3.4.2 TEMPERATURAUSGLEICH 50
3.4.3 DRUCKAUSGLEICH 52
3.4.4 DROSSELUNG 53
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IMAGE 2
V M
3.5 NICHTADIABATER PROZESS UND REVERSIBLER ERSATZPROZESS 53
3.5.1 ISENTROPE 55
3.5.2 ENTROPIEDIAGRAMME 56
3.5.3 KREISINTEGRAL, THERMODYNAMISCHE TEMPERATUR 58
3.5.4 DISSIPATIVE ENERGIE - . 60
4 IDEALE G A S E 6 3
*4.1 THERMISCHE ZUSTANDSGIEICHUNG 63
4.1.1 GESETZ VON BOYLE UND MARIOTTE 63
4.1.2 GESETZ VON GAY-LUSSAC 63
4.1.3 PHYSIKALISCHER NORMZUSTAND 64
4.1.4 GASTHERMOMETER 65
4.1.5 SPEZIELLE GASKONSTANTE 66
4.1.6 ALLGEMEINE GASKONSTANTE 68
4.2 KALORISCHE ZUSTANDSGROESSEN DER IDEALEN GASE 68
4.2.1 INNERE ENERGIE 69
4.2.2 ENTHALPIE 69
4.2.3 ENTROPIE 70
4.3 ZUSTANDSAENDERUNGEN 71
4.3.1 ISOCHORE 71
4.3.2 ISOBARE 73
4.3.3 ISOTHERME 76
4.3.4 ISENTROPE 78
4.3.5 POLYTROPE 83
4.3.6 ZUSTANDSAENDERUNGEN MIT VERAENDERLICHER MASSE 90
4.4 THERMISCHE ENERGIE UND ARBEIT IM T, S-DIAGRAMM 91
4.5 MISCHUNGEN IDEALER GASE 93
4.5.1 DER MISCHUNGSVORGANG IM ABGESCHLOSSENEN SYSTEM 96
4.5.2 MISCHUNG BEI UNVERAENDERTEM GESAMTVOLUMEN 99
4.5.3 MISCHUNG OHNE TEMPERATUR- UND DRUCKAENDERUNG BEI UNVERAENDERTEM
GESAMTVOLUMEN 100
4.5.4 DER MISCHUNGSVORGANG IM OFFENEN SYSTEM 102
5 R E A L E G A S E U N D D AE M P F E 1 0 9
5.1 EIGENSCHAFTEN DER DAEMPFE 109
5.1.1 PHASENUEBERGAENGE 109
5.1.2 ZWEIPHASENGEBIETE 110
5.1.3 SIEDEN UND KONDENSIEREN 111
5.1.4 VERDUNSTEN UND TAUEN 113
5.1.5 FLUESSIGKEIT 115
5.1.6 NASSDAMPF 118
5.1.7 UEBERHITZTER DAMPF 121
5.2 ZUSTANDSDIAGRAMME 122
5.2.1 DIE P, V, T -FLAECHE 122
5.2.2 DAS T , S -DIAGRAMM 125
5.2.3 DAS H, S-DIAGRAMM 128
5.3 THERMISCHE ZUSTANDSGIEICHUNGEN 130
5.3.1 DIE VAN DER WAALSSCHE GLEICHUNG 130
IMAGE 3
IX
5.3.2 DIE GRENZKURVE UND DIE MAXWELL- BEZIEHUNG 132
5.3.3 DIE REDUZIERTE VAN DER WAALSSCHE GLEICHUNG 134
5.3.4 VERSCHIEDENE ANSAETZE 135
5.3.5 VIRIALKOEFIIZIENTEN 139
5.4-BERECHNUNG VON ZUSTANDSGROESSEN; DAMPFTAFELN 141
5.4.1 DIE KALORISCHEN ZUSTANDSGROESSEN 142
5.4.2 DIE SPEZIFISCHEN WAERMEKAPAZITAETEN C P U N D C V 147
5.4.3 DER ISENTROPENEXPONENT UND DER ISOTHERMENEXPONENT 149
5.4.4 DIE CLAUSIUS-CLAPEYRONSCHE GLEICHUNG 151
5.4.5 FREIE ENERGIE UND FREIE ENTHALPIE 155
5.4.5.1 ALLGEMEINES 155
5.4.5.2 EIN G, S-ZUSTANDSDIAGRAMM FUER WASSER UND WASSERDAMPF . . . 161
5.4.6 DER JOULE-THOMSON-EFFEKT 165
6 T H E R M I S C H E M A S C H I N E N 1 7 1
6.1 EINTEILUNG UND ARTEN DER MASCHINEN 171
6.1.1 UNTERTEILUNG NACH DER RICHTUNG DER ENERGIEUMWANDLUNG 171
6.1.2 UNTERTEILUNG NACH DER BAUART DER MASCHINEN 172
6.1.3 UNTERTEILUNG NACH DER A R T DES ABLAUFENDEN PROZESSES 172
6.2 IDEALE MASCHINEN 172
6.2.1 VERDICHTUNG UND ENTSPANNUNG IN IDEALEN MASCHINEN 173
6.2.2 MEHRSTUFIGE VERDICHTUNG UND ENTSPANNUNG 174
6.2.3 DIE ENERGIEBILANZ FUER STROEMUNGSMASCHINEN 176
6.2.4 DIE ENERGIEBILANZ FUER VERDRAENGERMASCHINEN 178
6.3 ENERGIEBILANZEN FUER WIRKLICHE MASCHINEN 181
6.3.1 INNERE ODER INDIZIERTE ARBEIT 182
6.3.2 TOTALARBEIT 183
6.3.3 TOTALENTHALPIE 184
6.4 WIRKLICHE MASCHINEN 184
6.4.1 DER UNGEKUEHLTE VERDICHTER 184
6.4.2 DER GEKUEHLTE VERDICHTER 187
6.4.3 KOLBENVERDICHTER 189
6.4.4 TURBOVERDICHTER 189
6.4.5 GAS- UND DAMPFTURBINEN 189
6.5 WIRKUNGSGRADE 193
6.5.1 VERGLEICHSPROZESSE 194
6.5.2 DER INNERE WIRKUNGSGRAD 194
6.5.3 DER MECHANISCHE WIRKUNGSGRAD 196
6.5.4 DER GESAMTWIRKUNGSGRAD 196
6.5.5 DER ISENTROPE WIRKUNGSGRAD 196
6.5.6 DER ISOTHERME WIRKUNGSGRAD 197
6.5.7 DER POLYTROPE WIRKUNGSGRAD 197
7 KREISPROZESSE 2 0 3
7.1 KREISPROZESSARBEIT, WAERMEZUFUHR UND WAERMEABGABE 207
7.2 RECHTS- UND LINKSLAUFENDE KREISPROZESSE 209
7.3 DIE THEORIE DER RECHTSLAUFENDEN KREISPROZESSE 210
7.3.1 UMWANDLUNG VON THERMISCHER IN MECHANISCHE ENERGIE 211
IMAGE 4
X
7.3.2 DER THERMISCHE WIRKUNGSGRAD 212
7.3.3 DER RECHTSLAUFENDE CARNOT- PROZESS 213
7.3.4 DIE AUSWIRKUNG IRREVERSIBLER VORGAENGE 214
7.3.5 DER CARNOT-FAKTOV 216
7.4 TECHNISCH GENUTZTE RECHTSLAUFEND'E KREISPROZESSE 218
7.4.1 SEILIGER- PROZESS, OTTO-PIOZESS, DIESEL- PROZESS,
VERALLGEMEINERTER DIESEL- PROZESS 219
7.4.2 JOULE- PROZESS ' 223
7.4.3 ERICSSON- PROZESS 226
7.4.4 STIRLING- PROZESS 228
7.4.5 EINFACH-POLYTROPISCHER CARNOT- PROZESS 230
7.4.6 GASEXPANSIONS-PROZESS 231
7.4.7 CLAUSIUS-RANKINE-PIOZESS 232
7.5 VERGLEICHENDE BEWERTUNG VON RECHTSLAUFENDEN KREISPROZESSEN 235
7.5.1 PROZESSGROESSEN UND KREISPROZESSE 236
7.5.2 MECHANISCHE ANSTRENGUNGSVERHAELTNISSE UND THERMISCHE
ANSTRENGUNGSVERHAELTNISSE 237
7.5.3 BEWERTUNGSKRITERIEN FUER WICHTIGE THERMODYNAMISCHE KREISPROZESSE .
.241 7.5.3.1 ALLGEMEINE THERMODYNAMISCHE BEZIEHUNGEN 241
7.5.3.2 BEISPIELE 243
7.5.3.3 GRAPHISCHE DARSTELLUNG DER THERMODYNAMISCHEN BEZIEHUNGEN 257
7.5.3.4 KREISPROZESSBERECHNUNGEN FUER REALE FLUIDE 269
7.6 LINKSLAUFENDE KREISPROZESSE 275
7.6.1 LEISTUNGSZAHL 276
7.6.2 DER LINKSLAUFENDE CARNOT- PROZESS 277
7.6.3 DER LINKSLAUFENDE JOULE- PROZESS 278
7.6.4 DER GASEXPANSIONS-PROZESS ALS KAELTEPROZESS 279
7.6.5 DER KOMPRESSIONS-KALTDAMPFPROZESS 283
8 EXERGIE 2 9 1
8.1 ENERGIE UND EXERGIE 291
8.1.1 DIE EXERGIE DER WAERME 293
8.1.2 DIE EXERGIE DER GEBUNDENEN ENERGIE 295
8.1.3 DIE EXERGIE DER TEMPERATURAENDERUNGSWAERME 296
8.1.4 DIE EXERGIE DER VOLUMENAENDERUNGSARBEIT 297
8.1.5 DIE EXERGIE DER VERSCHIEBEARBEIT 298
8.1.6 DIE EXERGIE DER DRUCKAENDERUNGSARBEIT 300
8.1.7 DIE EXERGIE DER INNEREN ENERGIE 300
8.1.8 DIE EXERGIE DER ENTHALPIE 304
8.1.9 DIE EXERGIE DER FREIEN ENERGIE 309
8.1.10 DIE EXERGIE DER FREIEN ENTHALPIE 309
8.1.11 UNTERSCHIED ZWISCHEN E U UND E F 310
8.1.12 UNTERSCHIED ZWISCHEN E H UND E G 312
8.1.13 FREIE ENERGIE UND FREIE ENTHALPIE ALS THERMODYNAMISCHE POTENTIALE
.312 8.2 EXERGIE UND ANERGIE 315
8.2.1 DIE ANERGIE IM P, V -DIAGRAMM UND IM T , S -DIAGRAMM 317
8.2.2 ANERGIEFREIE ENERGIEN 320
8.3 EXERGIEVERLUST 321
IMAGE 5
XI
8.3.1 IRREVERSIBILITAET UND EXERGIEVERLUST 321
8.3.2 EXERGIEVERLUST UND ANERGIEGEWINN 325
8.3.3 EXERGETISCHE WIRKUNGSGRADE 328
9 W AE R M E UE B E R T R A G U N G 3 3 3
9.1 WAERMESTRAHLUNG 333
9.1.1 STEFAN-BOLTZMANNSCH.ES GESETZ 333
9.1.2 KIRCHHOFF SCHES GESETZ 333
9.1.3 PLANCKSCHES STRAHLUNGSGESETZ 334
9.1.4 VFIENSCHES VERSCHIEBUNGSGESETZ 335
9.1.5 LAMBERTSCHES KOSINUSGESETZ 336
9.1.6 EINSTRAHLZAHL 336
9.2 STRAHLUNGSAUSTAUSCH 341
9.2.1 HOHLRAUMMETHODE 342
9.2.2 UMHUELLUNG EINER FLAECHE DURCH EINE ANDERE 343
9.2.3 ZWEI GROSSE PARALLELE FLAECHEN 344
9.2.4 MATRIZENDARSTELLUNG 344
9.3 STATIONAERE EINDIMENSIONALE WAERMELEITUNG 347
9.3.1 EBENE WAND 347
9.3.2 ROHRWAND 348
9.4 INSTATIONAERE EINDIMENSIONALE WAERMELEITUNG 349
9.4.1 EBENE EINSCHICHTIGE WAND 350
9.4.2 HALBUNENDLICHER KOERPER 352
9.4.3 KONTAKTTEMPERATUR 353
9.5 KONVEKTION 354
9.5.1 WAERMEUEBERGANGSKOEFFIZIENT 355
9.5.2 AHNLICHKEITSTHEORIE 356
9.5.3 REYNOLDS- ANALOGIE 359
9.5.4 PRANDTL- ANALOGIE 360
9.5.5 POTENZANSAETZE FUER DIE TURBULENTE ROHRSTROEMUNG 363
9.6 WAERMEDURCHGANG 364
9.6.1 WAERMEDURCHGANGSKOEFFIZIENT 364
9.6.2 RIPPENWIRKUNGSGRAD UND FLAECHENWIRKUNGSGRAD 365
9.6.3 MITTLERE TEMPERATURDIFFERENZ 366
9.6.4 BETRIEBSCHARAKTERISTIK 366
9.7 BERIPPTE WAERMEUEBERTRAGUNGSFLAECHEN 367
9.7.1 GERADE RIPPE MIT RECHTECKQUERSCHNITT 368
9.7.2 KREISFOERMIGE RIPPE MIT RECHTECKQUERSCHNITT 368
9.8 TRENNWANDWAERMEUEBERTRAGER 370
9.8.1 GLEICHSTROM 370
9.8.2 GEGENSTROM 371
9.8.3 KREUZSTROM 373
9.8.4 WAERMEUEBERTRAGUNG MIT PHASENUEBERGANG 377
9.9 AUSWERTUNG UND AUSLEGUNG 378
9.9.1 KORREKTURFAKTOR FUER KREUZSTROM 379
9.9.2 DARSTELLUNG DER BETRIEBSCHARAKTERISTIK 381
9.9.3 WAERMELAENGSLEITUNG IN DER EBENEN TRENNWAND 384
9.9.4 AUSLEGUNGSDIAGRAMM 393
IMAGE 6
XII
10 FEUCHTE LUFT 3 9 9
10.1 ZUSTANDSEIGENSCHAFTEN FEUCHTER LUFT 399
10.1.1 RELATIVE FEUCHTE 399
10.1.2 FEUCHTEGRAD UND SAETTIGUNGSGRAD 399
10.1.3 SPEZIFISCHE ENTHALPIE 401
10.1.4 SPEZIFISCHES VOLUMEN UND DICHTE 402
10.2 ZUSTANDSAENDERUNGEN FEUCHTER LUFT 402
10.2.1 TEMPERATURAENDERUNG 403
10.2.2 BEFEUCHTUNG UND ENTFEUCHTUNG 403
10.2.3 MISCHUNG ZWEIER FEUCHTLUFTMENGEN 404
10.3 DAS /I,X-DIAGRAMM VON MOLLIER 405
10.3.1 TEMPERATURAENDERUNG 407
10.3.2 BEFEUCHTUNG UND ENTFEUCHTUNG 408
10.3.3 MISCHUNG ZWEIER FEUCHTLUFTMENGEN 408
10.4 VERDUNSTUNGSMODELL 408
10.4.1 VERDUNSTUNGSKOEFFIZIENT 408
10.4.2 ENERGIEBILANZEN 409
10.4.3 LEWISSCHE BEZIEHUNG 410
10.5 KUEHLGRENZE . 411
10.6 VERDUNSTUNG UND TAUNIEDERSCHLAG 413
10.7 WASSERDAMPFDIFFUSION DURCH WAENDE 414
11 VERBRENNUNG 4 2 1
11.1 BRENNSTOFFE 421
11.1.1 GASFOERMIGE BRENNSTOFFE 422
11.1.2 FESTE UND FLUESSIGE BRENNSTOFFE 426
11.1.3 ZUSAMMENSETZUNG DES VERBRENNUNGSGASES, VERBRENNUNGSDREIECKE,
VERBRENNUNGSKONTROLLE 429
11.2 TECHNISCHE GESICHTSPUNKTE DER VERBRENNUNG 437
11.2.1 EINLEITUNG UND ABLAUF DER VERBRENNUNG 437
11.2.2 VOLLKOMMENE UND UNVOLLKOMMENE VERBRENNUNG 437
11.2.3 TAUPUNKT DER VERBRENNUNGSGASE 440
11.2.4 SCHORNSTEINZUG 440
11.3 BRENNWERT U N D HEIZWERT 441
11.4 THEORETISCHE VERBRENNUNGSTEMPERATUR 443
A N H A N G 4 5 3 |
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| edition | 7., erw. und überarb. Aufl. |
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