Technische Thermodynamik: Erster Band Die für den Maschinenbau wichtigsten Lehren nebst technischen Anwendungen

577 Pages·1921·29.64 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. W. Schüle (auth.)

Technische
Thermodynamik
Von
Prof. Dipl.-Ing W. Schüle
Vierte, bAarbeitete Auflage
IH'n
Erster Band
Die für den Maschinenbau wichtigsten Lehren
nebst technischen Anwendungen
Mit 22'• Textfiguren und 7 Tafeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1921
ISBN 978-3-662-37571-6 ISBN 978-3-662-38350-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-38350-6
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde
Sprachen, vorbehalten.
Copyright by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1921
Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1921.
Softcover reprint of the bardeover 4th edition 1921
Vorwort zur vierten Auflagt'.
Die vorliegende 4. Auflage des I. Bandes weist eine Reihe nicht
unerheblicher Veränderungen auf. Ein großer Teil der früheren Ab
schnitte ist allerdings im wesentlichen unverändert geblieben, aber
der Aufbau des Buches ist insofern geändert worden, als ein Teil
des früher am Schluß des Bandes stehenden Hauptabschnitts über
die allgemeinen Grundlagen der mechanischen Wärmetheorie als be
sonderer H<tuptabschnitt zwischen die früheren ersten zwei Haupt
abschnitte über die Gase und die Dämpfe eingeschaltet und im Zu
sammenhang damit umgearbeitet worden ist. Entsprechend mehr
fachen, beim Erscheinen der früheren Auflagen geäußerten Wünschen
sind nunmehr die zwei Hauptsätze schon an dieser Stelle ausführ
licher behandelt, so daß die nachfolgende Lehre von den Dämpfen
schon hier eine feste Grundlage auch in Beziehung auf den II. Haupt
satz erhält. Die Anwendungen der beiden Sätze auf die Zustands
verhältnisse beliebiger Körper sind an ihrem früheren Platz hinter
der Lehre von den Dämpfen und der Strömungslehre nebst ihren
Anwendungen verblieben. Die nicht umkehrbaren Zustandsänderungen
wurden dabei von den umkehrbaren getrennt und in einem besonderen
Hauptabschnitt zusammengefaßt. Der Sinn und Nutzen dieser all
gemeinen Sätze wird dadurch, daß sie nicht an den Anfang des
Buches gestellt wurden, nach Ansicht des Verfassers dem noch nicht
kundigen Leser leichter und besser verständlich und er wird vor
dem Eindruck bewahrt, als seien die einfachen physikalischen Vor
gänge nicht ohne vorheriges Eindringen in die "höheren" Gebiete
verständlich. Der Leser, dem nach Erledigung der Lehre von den
Uasen eine sofortige Beschäftigung mit der Lehre von den Dämpfen
erwünscht ist, kann entsprechend der in den früheren Auflagen ge
wählten Anordnung zunächst auch die Abschnitte 40-43 über
schlagen. um sie später mit umso größerem Nutzen zu verarbeiten,
Neu hinzugekommen sind zur Lehre von den Dämpfen die Ab-
IV Vorwort.
schnitte 55 und 56 über die Zustandsänderung der feuchten Luft.
Weggefallen sind, als nicht zur eigentlichen Thermodynamik gehörig,
die früheren Abochnitte über den Luftwiderstand. An ihrer Stelle
wurde ein neuer, ebenso umfangreicher Hauptabschnitt über die
Gemische aus zwei Stoffen (Lösungen und Mischungen) auf
genommen. Diesem der physikalischen Chemie nahestehenden Gebiete
dürften die Ingenieure auch heute noch ziemlich fremd gegenüber
stehen, obwohl praktische Anwendungen von großer Bedeutung, be
sonders in der chemischen Technik, seit langem bestehen. Wie sonst
in dem Buche, so ist auch an dieser Stelle versucht worden, die
Darstellung soweit wie möglich zu vereinfachen, insbesondere nach
der mathematischen Seite, und die grundlegenden Tatsachen und
Gesetze in den Vordergrund zu stellen. Der neue Abschnitt wurde
an den Schluß des Buches gestellt, nicht allein aus dem Grunde,
weil er Vertrautheit mit den thermodynamischen Grundgesetzen und
Vorstellungen voraussetzt, sondern auch deshalb, weil die thermo
dynamische Behandlung der Lösungen und Mischungen zum Teil auf
neuen, besonders von van t'Hoff geschaffenen Grundlagen fußt,
die über den Rahmen der älteren Thermodynamik hinausgreifen.
Der Schlußabschnitt des I. Bandes bildet so gewissermaßen einen
Obergang zum II. Band. Von diesem ist erst zu Anfang des Jahres 1920
eine neue Auflage erschienen, die ohne weiteres auch als Ergänzung
und Fortsetzung der vorliegenden 4. Auflage des I. Bandes verwendet
werden kann. Der I. Band ist jedoch nach wie vor seinerseits voll
ständig in sich abgeschlossen und setzt nirgends den II. Band voraus.
Görlitz, im Dezember 1920.
W. Schüle.
Inhaltsverzeichnis.
Einleitung. Seit.e
I. Allgemeine Hegriffsbestimmun~r der Gase, Dämpfe und ~'lüssigkeiten •
::!. Die Größen, die den Zustand der Gase und Dämpfe bestimmen, und
ihre technisch gebräuchlichen Einhe1ten. Druckmessung. Temperatur-
messung ...... . 3
I. Die Gase,
~- Die Gasgesetze \"On Hoyle (Mariotte) und von Gay-Lussac und das
vereinigte Hoyle-Gay-Lussacsche Gesetz ............ 10
4. Die allgemeine Zustandsgleichung der Gase . . . . . . . . . . . . 1.1
'l. Zusammensetzung von Gasgemischen nach Gewichts- und Raumteilen.
Spezifisches Gewicht aus der Zusammensetzun~r. Mittleres oder schein
bares Molekulargewicht . . . . . . . . . . . . • . . • . . . . . 11:-i
fi. Grundge~etze der chemischen Verbindung der Stoffe nach Gewirht und
Raum. Gemeinsame Beziehungen für alle Gase' . . • . . . 1! l
7. Zustandsgleichung der Gasmischungen (Daltonsches Gesetz) U
7a. Feuchte Luft . . . . . . . . . . . . . . 28
x. Die Brennstoffe und ihre Zusammensetzung . . . 32
\J. Die technischen Verbrennungsprodukte . . . . . 35
!Ja. Die Raumverhältnisse beim Verbrennungsvorgang 37
!Jb. Zur Beurteilung des Luftüberschusses aus der Rauchgasanalyse . 4il
10. Wärmemenge und Temperatur, spezifische Wärme . • . . . 49
11. Abhängigkeit der spezifischen Wärme von der Temperatur. Wahre
und mittlere spezifische Wärme . . . . . . . . . . . . :12
I~- Spezifisrhe Wärme rler Gase. Beziehung zwischen cP und c, .. Verhältnis
k = Cp/Cv • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ' ' ' ' ' ' ' T,!j
12a. Spezifische Wärmen mehratomiger· Gase und des gasförmigen Wasser-
dampfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
13. Spezifische Wärme des überhitzten Wasserdampfe~ . 64
14. Spezifische Wärme von Gasgemengen 66
14a. Spezifische Wärme der Feuergase 68
15. Heizwert der Brennstoffe 76
15a. Verbrennungstemperaturen . . . . 80
15b. Abgasverluste . . . . . . . . . 83
16. Vermischungsdruck und Vermischungstemperatur von Gasen Ri1
17. Die Ausdehnungs- und Verdichtungsarbeit (Raumarbeit) der Gat1e und
Dämpfe. Die absolute Arbeit und die Betriebsarbeit (Nutzarbeit) . . 89
Ir<. Einfluß der Wärme auf den Gaszustand im allgemeinen. Die verschie-
denen Zustaddsänderun~ren • . . . . . . . . . . . 94
1! J. Zustandsänderung bei unveränderlichem Rauminhalt . . . . . . . 9/i
:,!0. Zustandsänderung bei unveränderlichem Druck . . . . • . . . . . 97
21. Verwandlung von Wärme in Arbeit und von Arbeit in Wärme bei der
Zustandsänderung mit unveränderlichem Druck. Mechanisches Wärme
äquivalent. Erster Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie . . . 911
22. Die Wärml'gleichung rler na~... Verhalten rler Gase bei beliebigen
l.ustaml~iinderunl!'en . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
23. Zustandsänderung bei gleichbleibender Temperatur (lsothermische Zu
standsänderung) . . . . . ·. . . . . . . . . • . . . . . . . . . 10 !:1
24. Zustandsänderung ohne Wärmezufuhr und Wärmeentziehung (Adia
batische Zustandsänderung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
25. Verlauf der Druckkurven im allgemeinen. Polytropische Zustands
änderung oder Zustandsänderung mit unveränderlicher spezifischer
Wärme ....•...•............•...... 118
26. Die adiabatische Zustandsänderung bei sehr großen Unterschieden von
Temperatur, Druck und Volumen und bei sehr hohen Temperaturen 124
27. Das Wärmediagramm und die Entropie der Gase . . . . . . . 130
28. Entropiediagramme (T, S) der wichtigsten Zustandsänderungen . 135
29. Die Entropietafel für Gase bei großen Temperaturänderungen 140
30. Die TVS-Tafel für Luft . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Anwendungen zur Lehre von den Gasen.
31. Arbeitsaufwand zur Herstellung von Druckluft (Kompressoren) . 145
32. Druckluft-Kraftübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
33. Die Arbeitsweise der Verbrennungsmotoren nach dem Ottoschen
Prinzip (Gas-, Benzin-, Spiritusmotoren) . . . . . . . . . . . . . 156
34. Die Arbeitsweise der Verbrennungsmotoren nach Diesel (Olmotoren). 163
35. Die Vorgänge in den Verbrennungsmotoren mit Rücksicht auf die Zu·
·nahme der spezifischen Wärme Cu mit der Temperatur (Beispiele) 167
36. Kälteerzeugung unter Anwendung von Gasen als Kälteträgern . . . 171
II. Der erste und zweite Hauptsatz der mechanischen Wllrmetheorie.
37. Wärme und mecha.nische Arbeit. Erster Hauptsa.tz. Das Energiegesetz 175
88. Die Einheiten der mecha.nischen, kalorischen, chemischen und elek
tri<Jchen Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
39. Der wirtschaftliche Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen . . . • 181
40. Die Grenzen der Gewinnung mecha.nischer Arbeit aus Wärme. Der
Carnot~che Kreisprozeß. Der Carnot-Prozeß für Gase mit veränder
licher spezifischer Wärme. Der rückläufige Carnot-Prozeß (Heizprozeß,
Kälteprozeß). Der zweite Hauptsa.tz • . . . . . . . . . . 183
41. Der Camotsche Kreisprozeß mit beliebigen Arbeitskörpern . 193
42. Absolute Temperatur und Festpunkte der Temperatur 195
43. Die Entropie beliebiger Körper . . . . . . . . . . . . . 199
111. Die Dllmpfe.
Der Wasserdampf.
44. Der gesättigte Wasserdampf. Druck und Temperatur. Spezifisches
Gewicht und Volumen . . . . . . . . . . 203
45. Wärmemengen bei der Dampfbildung und der Kondensa.tion des
Dampfes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
46. Feuchtigkeitsänderung des gesättigten Dampfes bei beliebigen Zustands
änderungen. Kurven gleicher Feuchtigkeit (oder gleicher Dampf-
menge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . 218
47. Der überhitzte Wasserdampf. Entstehung. Wärmeinha.lt. Wahre und
mittlere spezifische Wärme bei konstantem Druck. Zusta.ndsgleichung.
Grenzkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Inhaltsverzeichnis. · Vll
S•lte
48. Entropie des Wasserdampfes 225
a) Sattdampf . . . . . . 22.'l
b) Überhitzter Dampf 229
4\l. Ausdehnung und Verdichtung des Sattdampfes ohne Feuchtigkeits-
änderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
;,o. Ausdehnung und Verdichtung des Dampfes im wärmedichten Gefäß.
!Adiabatische Zustandsänderung) . 232
a) SAttdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
b) Hetßdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
:>1. Zustandsänderung des Dampfes bei der Ausdehnung und Verdichtung
in den Dampfmaschinen 238
a' Sattdampf . . . . . . . . . . . . . 238
b) Heil.ldampf . . . . . . . . . . . . 239
52. Zustandsänderung bei konstantem Volumen 240
~&~~~ ~
b) He:ßdampf . . . . . . 243
;l::J. Dampftafeln . . . . . . . . 245
1. Die TS-Tafel (fexttafel) 245
2. Die TVS-TafeJ (Tafel lila, Anlmng1 246
.)4. Gesättigter Wasserdampf bei sehr hohen Drücken und Temperaturen 249
.'),). Zustandsänderung der feuchten Luft bei gleichbleibendem Druck 250
-16. Das Wärmediagramm der feuchten Luft nebst Anwendungen 259
Dämpfe von C02, NH3 und S02. Allgemeines Verhalten der
Dämpfe. Dämpfe und Gase.
;j'j. Die Dämpfe der Kahlensäure, des Ammoniaks und der schwefligen
Säure. Gemeinsame Eigenschaften aller Dämpfe. Kritische Tempe·
ratur. Verflüssigung der Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
;j8. Die durch Drosselung hervorgebrachte Zustandsände:Ltng . . • . . 271
59. Die T h o m so n-J o u I e sehe Abkühlung. Der ideale und der wirkliche
Gaszustand. Abweichtmf!en von der Zustandsgleichung. Gleichung
\"On van der Wal'. Vertlüssigung der Luft nach v. Linde . 281
IV.-Strömende Bewegung der Gase uud Dämpfe.
60. Allgemeine Zustandsverhältnisse in Flüssigkeits- und Gasströmen.
Druckvuhältnisse in Beziehung zu den GeschwindigkeittJn. Statischer,
dynamischer und Gesamtdruck . . . . . 281
61. Strömung mit kleinen Druckänderungen . . . . . . . . . . . . 291
62. Stromlinienbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
ö~. Strömung mit beliebig grollen Druck- und Geschwindigkeitsänderungen.
Umfetzung von Druck in Geschwindigkeit. Umsetzung von Geschwindig
keit in Druck. Allgemeine Bedingungen für den Querschnittsverlauf
bei beschleunigter und bei verzögerter Strömung. Geschwindigkeit
und Druck im engsten Querschnitt eingeschnürter Röhren bei der
Expansions- und bei der Verdichtun!(SStrömung. kritische Druckverhält-
nisse in beiden E<'ällen. Durchflußmengen eingeschnürter Düsen . . 29f<
fi4. Ausstriimung von Gasen und Dämpfen aus Mündungen. Sehr kleine
DruckunterRchiede. Ausströmung unter beliebig hohem Überdruck.
:'liiederdruckgebiet. Kritioches Druckverhältnis. Näherungsgleichungen
für das ganze ~icderdruckgebiet. Überkritische Druckverhältnisse bei
einfachen Mündungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . il14
Vlll Inhaltsverzeichnis.
Seite
65. Expansionsdüsen (Lavalsche Düsen). Düsen bei erhöhtem Gegen
druck. Dampfaufnahme der Düsen bei wechselndem Anfangsdruck . :~27
ö6. Berechnung des Arbeitsgefälles und der Ausflußgeschwindigkeit von
Dampf mittels des Wärmeinhalts . . . . .. . . . . . . • 334
67. Das Wärmegefälle der Dämpfe in den Entropiediagrammen 336
68. Das Wärmegefälle der Gaae in den Entropiediagrammen • . 338
69. Die JS-Tafel für Wasserdampf . . . . . . . . • . . . . 339
70. Die wirklichen Ausflußmengen und Ausflußge~;~chwindigkeiten 342
a) Allgemeine Verhältnisse. Geschwindigkeits-, Kontraktions-, Wider
stands- und Ausflußkoeffizient . . • . . . . . . . . . . . . 342
b) Experimentelle Prüfung der Ausflußformeln . • . . . . . . . 34fi
c) Mündungen in dünner Wand und scharfkantige, außen diver-
gente Löcher . . . • • . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
d) Kurze Ansatzrohre einsch. Lavaldüsen. Aktions- und Reaktions-
messung . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . 349
e) Überschallgeschwindigkeit bei einfachen Mündungen . . 353
f) Einige besondere Fälle. Drosselscheibe . . . . . . 356
71. Strahlablenkung und Überschallgeschwindigkeit bei einfachen, schief
abgeschnittenen Mündungen . . . . . . . . . . . . . . . . 359
72. Spannungsverlust in Rohrleitungen. Glatte Rohre . . . . . 363
73. Raube Rohre und Rohrleitungen. Dampfleitungen. Untere Grenzen
für l. Glatte und gewellte Ausgleichrohre. Potenzformeln. Einzel
widerstände. Berechnung von Luft- und Dampfleitungen. Sehr
lange Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • 372
74. Der Arbeitsverlust durch Strömungswiderstände . . . . . . . . . . 382
75. Verhältnis von Widerstandsarbeit und Arbeitsverlust (Geschwindig
keitsverlust). Wirkliche Zustandsänderung bei der Expansionsströ
mung mit Widerständen. Allgemeinste Form der Str~imungsgleichung 383
76. Graphische Düsenberechnung • . . . . 391
77. Verdichtungsströmung mit Widerständen . . . . . . . . . . . . . 395
V. Anwendungen aus der Lehre von den Diimpfen
und der Strömungslehre.
78. Die Arbeit des Dampfes in der Kolbendampfmaschine. Arbeit, Dampf
verbrauch, thermischer Wirkungsgrad des Idcalprozesscs. Reduzierter
Dampfverbrauch bei Heißdampfbetrieb . . . . . . . . . . . . . . 401
79. Entropiediagramme des idealen Dampfmaschinen-Prozesses für Satt
dampf und Heißdampf, Unvollständige Expansion . . . . . . • . 409
80. Bestimmung der verlustfreien Nutzarbeit mit Hilfe der Entropietafeln 412
a) vollständige Expansion . . . . . . . • . . . . . . . . . 412
b) unvollständige Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
81. Ermittlung der theoretischen Dampfarbeit, des mittleren Druckes,
des Dampfverbrauchs und thermischen Wirkungsgrads von Kolben
maschinen mit schädlichem Raum und Kompression, mit Hilfe der
Entropie- und Volumentafeln . . • . • . . . . . . . . . . . . . 415
82. Vergleich der Leistung wirklicher Dampfmaschinen mit der Arbeit
der idealen Maschinen. Güteverhältnis. Wirkungsgrade . . . . . 421
83. Über den Vorteil des Heißdampfbetriebs, der Verbundanordnung und
des Gleichstroms bei den Dampfmaschinen. Änderung des Dampf-
verbrauchs mit der Überhitzung bei wirklichen Maschinen 427
lnlialts\'erzeiehni~. IX
~eite
Mechanische Wirk uugen strömender Gase und Dämpfe.
~4. Druck und Drehmoment abgelenkter freier Strahlen (Aktion) ... 431
~5. Schaufelung und Wirkungsgrad der reibungsfreien Aktions- oder Druck-
turbinen . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43ii
~6. Reaktion und Reaktionsarbeit beschleunigter Gas- und Dampfströme;
Reines Reaktionsrad; Vergleich mit dem Aktionsrad . . . . . 439
~7. Gleichzeitiges Auftreten von Aktions- und Reaktionskräften . . 44fi
H8. Die einstufige eberdruckturbine. Besonderer Fall. Turbinen mit
halber Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
~9. Die Radgeschwindigkeit und der Gang der Berechnung fiir die ein
stufige, reibungslose Überdruckturbine . . . . . . . . . . . . . 453
HO. Wirkungsgrad der einstufigen rf'ibungsfreien Vberdruckturhine: Ver
gleich mit dPr DruPktnrhinf' .• . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.)7
Ya . Killteerzeugung.
!-II. Kälteerzeugung mittels Dämpfen. Kälteleistung von 1 kg Kält.etlüssig-
keit. Vergleich von NH.-, 802- und 002-Maschinen 41j)
!!~. Kälteerzeugung durPh Wasserdampf . . . . . . . . . . . 4ß7
VI. Allgemeine Thermodynamik beliebiger Körper.
\-lil. Die innere Energie t!er Körper . . . . . . . . . . . . . . 4 71
94. Beliebige Zustandsänderung oines Uases ·oder Dampfes. Erste Haupt-
gleichung .............. - . . . . . . . . . . . 475
95. Andere Form der ersten Hauptgleiehung. Wärmeinhalt bf}i konstantem
Druck . . . . . . . . . . . . . . . . 478
96. Kreisprozesse (der motorische Prozeß J • • • • • • • . • • • • 480
97. Rückläufige Kreisprozess!' (der Kälteprozeß) . . . . . . . . . . 484
m<. Der elementare Kreispruzcß. Kürzester Ausdruck des zweiten Haupt-
satzes für Kreisprozesse. Die Entropie . . . . . . . . . . . . . 486
!~!l. Die Entropie als Zustandsgröße. Be~timmung der Entropiefunktion
für Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48i<
100. Entropiediagramm cler Kreisprozesse. Thermischer Wirkungsgrad.
Prozesse der größten Wärmeverwandlung . . . . . . . . . . . . i92
101. Arbeitswert der unter konstantem Druck entwickelten Wärme. (Ver
brennung auf Rosten und in Gleichdruck-Verbrennungsmotorcn. Satt-
dampfmaschine und Dampfturbine) . . . . . . . . . . . 496
102. Arbeitswert der unter konstantem Volumen entwickelten Wärme.
(Verbrennung in Explosionsmotoren) 498
JOfl. Die ClapPyron-Clau~inssehe Uleichung. . . . . . ;,oo
HI. Oll.' nicht umkehrbaren Yorgiinge.
104. Die Grundbedingungen der lJmkehrbarkeit und dir Grundfällt· der
nicht umkehrbaren Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . ;,o:~
105. Die wichtigsten nicht umkehrbaren \'orgänge und ihr Verhiiltnis zum
zweiten Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . iiOI'l
106. Der erste und zweite Hauptsatz bei den nicht umkehrbareil Zustands-
änderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
a) Zustandsänderungen mit Temperatursturz 510
b) Zustandsänderungen mit gestörtem Gleichg~wicht ;,( 1