Günter Cerbe, Gernot Wilhelms
Technische Thermodynamik
Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen
Vorwort zur siebzehnten Auflage
8
Inhaltsverzeichnis
10
Formelzeichen
16
1 Grundlagen der Thermodynamik
20
1.1 Aufgabe der Thermodynamik
20
1.2 Größen und Einheitensysteme
20
1.2.1 Physikalische Größen und Größenarten
20
1.2.2 Größengleichungen
21
1.2.3 Zahlenwertgleichungen
22
1.2.4 Einheitensysteme
23
1.3 Thermische Zustandsgrößen
26
1.3.1 Volumen
26
1.3.2 Druck
27
1.3.3 Temperatur
32
1.4 Thermische Zustandsgleichung
35
1.4.1 Thermische Zustandsgleichung eines homogenen Systems
35
1.4.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases
35
1.5 Mengenmaße Kilomol und Normvolumen; molare Gaskonstante
39
1.5.1 Kilomol
39
1.5.2 Normvolumen
40
1.5.3 Molare Gaskonstante
41
1.6 Thermische Ausdehnung
43
1.6.1 Längenänderung
43
1.6.2 Volumenänderung
45
1.7 Thermodynamisches System
49
1.7.1 Systeme und Systemgrenzen
49
1.7.2 Zustandsgrößen und Prozessgrößen
50
1.7.3 Zustandsänderungen und Prozesse
51
Kontrollfragen
54
2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik
55
2.1 Energieerhaltung, Energiebilanz
55
2.2 Arbeit am geschlossenen System
55
2.3 Innere Energie
59
2.4 Wärme
61
2.5 Arbeit am offenen System und Enthalpie
63
2.6 Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik
69
2.7 Kalorische Zustandsgleichungen
71
2.7.1 Kalorische Zustandsgleichungen eines homogenen Systems
71
2.7.2 Spezifische Wärmekapazitäten eines homogenen Systems
71
2.7.3 Kalorische Zustandsgleichungen des idealen Gases
75
2.7.4 Spezifische Wärmekapazitäten des idealen Gases
78
2.7.5 Molare Wärmekapazitäten des idealen Gases
81
Kontrollfragen
83
3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
85
3.1 Aussagen des zweiten Hauptsatzes
85
3.2 Entropie
85
3.2.1 Einführung der Entropie
85
3.2.2 Entropiebilanzen
87
3.2.3 T,S-Diagramm
91
3.3 Fundamentalgleichungen
92
3.4 Einfache Zustandsänderungen des idealen Gases
93
3.4.1 Isochore Zustandsänderung
94
3.4.2 Isobare Zustandsänderung
97
3.4.3 Isotherme Zustandsänderung
101
3.4.4 Isentrope Zustandsänderung
106
3.4.5 Polytrope Zustandsänderung
112
3.4.6 Zustandsänderungen in adiabaten Systemen
121
3.5 Kreisprozesse
124
3.5.1 Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen
124
3.5.2 Arbeit und Prozessverlauf
125
3.5.3 Wärmekraftmaschine
129
3.5.4 Grenzen der thermischen Energieumwandlung
132
3.5.5 Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse
135
3.5.6 Wärmepumpe und Kältemaschine
140
3.6 Adiabate Drosselung
143
3.7 Instationäre Prozesse
147
3.7.1 Fülllen eines Behälters
147
3.7.2 Temperaturausgleich
148
3.8 Wärmetransport
152
3.8.1 Entropieerzeugung beim Wärmetransport
152
3.8.2 Thermodynamische Mitteltemperatur
153
3.9 Exergie und Anergie
155
3.9.1 Begrenzte Umwandelbarkeit der inneren Energie und der Wärme
155
3.9.2 Exergie und Anergie eines strömenden Fluids
156
3.9.3 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems
160
3.9.4 Exergie und Anergie der Wärme
161
3.9.5 Exergieverlust
165
3.9.6 Exergetischer Wirkungsgrad
168
3.9.7 Energie- und Exergie-Flussbild
168
Kontrollfragen
170
4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen
173
4.1 Kreisprozesse für Wärme- und Verbrennungskraftanlagen
173
4.1.1 Vergleichsprozesse
173
4.1.2 Bewertungszahlen für die Kreisprozesse
174
4.2 Kreisprozesse der Gasturbinenanlagen
180
4.2.1 Arbeitsprinzip der Gasturbinenanlagen
180
4.2.2 Joule-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage
181
4.2.3 Ericsson-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage
189
4.2.4 Der wirkliche Prozess in der Gasturbinenanlage
192
4.3 Kreisprozess des Heißgasmotors
200
4.3.1 Arbeitsprinzip des Heißgasmotors
200
4.3.2 Stirling-Prozess als Vergleichsprozess des Heißgasmotors
200
4.3.3 Der wirkliche Prozess im Heißgasmotor
202
4.4 Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren
204
4.4.1 Übertragung des Arbeitsprinzips der Motoren in einen Kreisprozess
204
4.4.2 Otto-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gleichraumprozess)
204
4.4.3 Diesel-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gleichdruckprozess)
208
4.4.4 Seiliger-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gemischter Vergleichsprozess)
210
4.4.5 Der wirkliche Prozess in den Verbrennungsmotoren
212
4.5 Kolbenverdichter
213
4.5.1 Der verlustlose Kolbenverdichter ohne Schadraum
213
4.5.2 Bewertungszahlen für den Kolbenverdichter
218
Kontrollfragen
225
5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen
226
5.1 Das reale Verhalten der Stoffe
226
5.1.1 Aggregatzustandsänderungen, Phasenwechsel
226
5.1.2 Thermische Zustandsgleichungen realer Fluide
230
5.1.3 p,v,T-Diagramm
233
5.2 Wasserdampf
234
5.2.1 Zustandsgleichungen des Wasserdampfes
234
5.2.2 Spezifische Zustandsgrößen
235
5.2.3 Gleichung von Clausius und Clapeyron
246
5.2.4 Zustandsänderungen des Wasserdampfes
247
5.3 Dampfkraftanlagen
250
5.3.1 Arbeitsprinzip der Dampfkraftanlagen
250
5.3.2 Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess der Dampfkraftanlage
251
5.3.3 Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades
256
5.3.4 Zwischenüberhitzen. Verfahren zur Verringerung des Wassergehaltes im Abdampf
262
5.3.5 Der wirkliche Prozess in Dampfkraftanlagen
264
5.4 Kombiniertes Gas-Dampf-Kraftwerk (GUD-Prozess)
271
5.4.1 Zweck der Kombination
271
5.4.2 Grundschaltung des Gas-Dampf-Kraftwerkes
271
5.4.3 Wirkungsgrade beim Gas-Dampf-Kraftwerk
273
5.4.4 Schaltungsbeispiele
275
5.5 Organische Rankine-Prozesse (ORC)
281
5.5.1 Prozessverlauf
281
5.5.2 Organische Arbeitsfluide
282
5.6 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dämpfen
287
Kontrollfragen
292
6 Gemische
294
6.1 Zusammensetzung von Gemischen
294
6.1.1 Massenanteil
294
6.1.2 Stoffmengenanteil (Molanteil)
295
6.1.3 Molare Masse des Gemisches
295
6.1.4 Beladung
296
6.2 Ideale Gemische
298
6.2.1 Gesetz von Amagat
298
6.2.2 Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte
299
6.2.3 Raumanteil
300
6.2.4 Die extensiven Zustandsgrößen des idealen Gemisches
302
6.3 Gemisch idealer Gase
307
6.3.1 Thermische Zustandsgleichung
307
6.3.2 Partialdruck (Gesetz von Dalton)
307
6.3.3 Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase
308
6.3.4 Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase
311
6.4 Gas-Dampf-Gemisch; Feuchte Luft
314
6.4.1 Sättigungszustand, Taupunkt
314
6.4.2 Feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches
316
6.4.3 Zusammensetzung feuchter Luft
317
6.4.4 Spezifisches Volumen feuchter Luft
321
6.4.5 Spezifische Enthalpie feuchter Luft
322
6.4.6 h,x-Diagramm von Mollier
324
6.4.7 Einfache isobare Zustandsänderungen feuchter Luft im h,x-Diagramm
327
Kontrollfragen
335
7 Strömungsvorgänge
338
7.1 Kontinuitätsgleichung
338
7.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für Strömungsvorgänge
339
7.2.1 Arbeitsprozesse
339
7.2.2 Strömungsprozesse
344
7.3 Kraftwirkung bei Strömungsvorgängen
348
7.3.1 Impulssatz
348
7.3.2 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen
352
7.4 Düsen- und Diffusorströmung
353
7.4.1 Energieumwandlung in Düsen und Diffusoren
353
7.4.2 Reibungsfreie Düsenströmung
355
7.4.3 Schallgeschwindigkeit
359
7.4.4 Reibungsfreie Diffusorströmung
359
7.4.5 Ausbildung einer Laval-Düse oder eines Überschall-Diffusors
360
Kontrollfragen
365
8 Wärmeübertragung
366
8.1 Arten der Wärmeübertragung
366
8.2 Wärmeleitung
366
8.2.1 Ebene Wand
366
8.2.2 Zylindrische Wand
372
8.2.3 Hohlkugelwand
373
8.3 Konvektiver Wärmeübergang
374
8.3.1 Wärmeübergangsbeziehungen
374
8.3.2 Ähnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs
375
8.3.3 Wärmeübergang beim Kondensieren und Verdampfen
386
8.4 Temperaturstrahlung
390
8.4.1 Einführung
390
8.4.2 Wärmeübertragung durch Strahlung
395
8.4.3 Gas- und Flammenstrahlung
396
8.5 Wärmedurchgang
397
8.5.1 Wärmedurchgangsbeziehungen
397
8.5.2 Beeinflussung des Wärmedurchgangs
399
8.5.3 Zwischentemperaturen
400
8.6 Wärmeübertrager
400
8.6.1 Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom
401
8.6.2 Berechnungsverfahren
404
8.6.3 Verfahrensoptimierung bei der Wärmenutzung
408
8.6.4 Exergieverlust im Wärmeübertrager
409
Kontrollfragen
411
9 Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen
413
9.1 Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung
413
9.1.1 Verbrennungstechnische Eigenschaften der Brennstoffe
413
9.1.2 Verbrennungsvorgang
416
9.1.3 Reaktionsgleichungen
417
9.2 Verbrennungsrechnung
418
9.2.1 Feste und flüssige Brennstoffe
418
9.2.2 Gasförmige Brennstoffe
427
9.2.3 Näherungslösungen
431
9.3 Verbrennungskontrolle
432
9.3.1 Messmethode
432
9.3.2 Auswertung der Messung
433
9.3.3 Verbrennungsdreiecke
436
9.4 Theoretische Verbrennungstemperatur
440
9.5 Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad
446
9.5.1 Konventionelle Verbrennungsanlagen
446
9.5.2 Verbrennungsanlagen mit Kondensation im Abgas
447
9.6 Abgastaupunkt
451
9.7 Emissionen aus Verbrennungsanlagen
452
9.7.1 Einführung
452
9.7.2 Minderung der Schwefeloxidemission
456
9.7.3 Minderung der Stickoxidemission
458
9.7.4 Minderung der Kohlendioxidemission
461
9.8 Chemische Reaktionen und Irreversibilität der Verbrennung
466
9.8.1 Enthalpie, Entropie, freie Enthalpie
466
9.8.2 Brennstoffexergie
474
9.8.3 Exergieverlust bei der Verbrennung
478
9.9 Brennstoffzellen
480
9.9.1 Wirkprinzip
480
9.9.2 Energetische Bewertung
481
9.9.3 Bauarten
485
Kontrollfragen
489
10 Lösungsergebnisse der Aufgaben
491
11 Antworten auf die Kontrollfragen
501
11.1 Grundlagen der Thermodynamik
501
11.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik
502
11.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
504
11.4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen
507
11.5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen
508
11.6 Gemische
510
11.7 Strömungsvorgänge
512
11.8 Wärmeübertragung
512
11.9 Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen
514
Anhang
516
A1 Schrifttum
516
A2 Nachweis verwendeter Unterlagen
518
A3 Wiederholung haufig benutzter Tafeln
519
Sachwortverzeichnis
536
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