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

576 Pages·1923·24.05 MB·German

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

Technische
Thermodynamik
Von
Prof. Dipl.-Ing. W. Schule
Vierte, neubearbeitete Auflage
Berichtigter Neudruck
Erster Band
Die fi1r den Maschinenbau wichtigsten Lehren
nebst technischen Anwendungen
Mit 225 Textfiguren und 7 Tafeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1923
ISBN 978-3-642-98247-7 ISBN 978-3-642-99058-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-99058-8
Alle Rechte, insbesondere das der Dbersetzung in fremde
Sprachen, vorbehalten.
Copyright by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1923
Ursplünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1923
Softcover reprint of the hardcover 4th edition 1923
Vorwort zur vierten Auflage.
Die vorliegende 4. Auflage des I. Bandes weist eine Reihe nicht
unerheblicher Verii.nderungen auf. Ein groBer Teil der friiheren Ab
schnitte ist allerdings im wesentlichen unverii.ndert geblieben, aber
der Aufbau des Buches ist insofern geii.ndert worden, als ein Teil
des friiher am SchluB des Bandes stehenden Hauptabschnitts iiber
die allgemeinen Grundlagen der mechanischen Wii.rmetheorie als be
sonderer Hauptabschnitt zwischen die friiheren ersten zwei Haupt
abschnitte iiber die Gase und die Dii.mpfe eingeschaltet und im Zu
sammenhang damit umgearbeitet worden ist. Entsprechend mehr
fachen, beim Erscheinen der friiheren Auflagen geii.uBerten Wiinschen
sind nunmehr die zwei Hauptsii.tze schon an dieser Stelle ausfiihr
licher behandelt, so daB die nachfolgende Lehre von den Dii.mpfen
schon hier eine feste Grundlage auch in Beziehung auf den II. Haupt
satz erhii.lt. Die Anwendungen der beiden Sii.tze auf die Zustands
verhiiltnisse beliebiger Korper sind an ihrem friiheren Platz hinter
der Lehre von den Dii.mpfen und der Stromungslehre nebst ihren
Anwendungen verblieben. Die nicht umkehrbaren Zustandsii.nderungen
wurden dabei von den umkehrbaren getrennt und in einem besonderen
Hauptabschnitt zusammengefaBt. Der Sinn und Nutzen dieser all
gemeinen Satze wird dadurch, daB sie nicht an den Anfang des
Buches gestellt wurden, nach Ansicht des Verfassers dem noch nicht
kundigen Leser leichter und besser verstandlich und er wird vor
dem Eindruck bewahrt, als seien die einfachen physikalischen Vo r
gange nicht ohne vorheriges Eindringen in die ,hoheren" Gebiete
verstii.ndlich. Der Leser, dem nach Erledigung der Lehre von den
Gasen eine sofortige Beschaftigung mit der Lehre von den Dii.mpfen
erwiinscht ist, kann entsprechend der in den friiheren Auflagen ge
wahlten Anordnung zuniichst auch die Abschnitte 40-43 iiber
schlagen, um sie spat er mit um so groBerem N utzen zu verarbeiten.
Neu hinzugekommen sind zur Lehre von den Dampfen die Ab
schnitte 55 und 56 iiber die Zustandsii.nderung der feuchten Luft.
W eggefallen sind, als nicht zur eigentlichen Thermodynamik gehorig,
IV Vorwort.
die friiheren Abschnitte iiber den Luftwiderstand. An ihrer Stelle
wurde ein neuer, ebenso umfangreicher Hauptabschnitt iiber die
Gemische aus zwei Stoffen (Losungen und Mischungen) auf
genommen. Diesem der physikalischen Chemie nahestehenden Gebiete
diirften die Ingenieure auch heute noch ziemlich fremd gegeniiber
stehen, obwohl praktische Anwendungen von groBer Bedeutung, be
sanders in der chemischen Technik, seit langem bestehen. Wie sonst
in dem Buche, so ist auch an dieser Stelle versucht worden, die
Darstellung soweit wie moglich zu vereinfachen, insbesondere nach
der mathematischen Seite, und die grundlegenden Tatsachen und
Gesetze in den Vordergrund zu stellen. Der neue Abschnitt wurde
an den SchluB 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 Losungen und Mischungen zum Teil auf
neuen, besonders von van t'Hoff geschaffenen Grundlagen fuBt,
die iiber den Rahmen der alteren Thermodynamik hinausgreifen.
Der SchluBabschnitt des I. Bandes bildet so gewissermaBen einen
Dbergang zum II. Band. V on diesem ist erst zu Anfang des Jahres 1920
eine neue Auflage erschienen, die ohne weiteres auch als Erganzung
und Fortsetzung der vorliegenden 4. Auflage des I. Bandes verwendet
werden kann. Der I. Band ist jedoch nach wie vor seinerseits voll
standig in sich abgeschlossen und setzt nirgends den II. Band voraus.
Gorlitz, im Dezember 1920.
W. Schiile.
Vo rwort znn1 Ne udrncli.
Die vorliegende 4. Auflage mui3te, da sie bereits im Sommer 1922 ver
griffen war, zum zweiten Mal gedruckt werden. Eine neue Auflage kam wegen
der Kiirze der Zeit und des gleichzeitigen Erscheinens der vierten Auflage des
II. Bandes nicht in Frage. Der zweite Druok unterscheidet sich Yon dem ersten
nur darin, daB die auf der letzten Seite zusammengestellten Berichtigungen und
einige weitere in den Text i:ibernommen wurden. Die Tabella der mittleren
spezifischen Warmen des iiberhitzten Wasserdampfes auf S. 222 ist nach den
neuesten, in diesem J ahre veri:iffentlichten Miinchener Versuchen berichtigt worden.
Gi:irlitz, im September 1922.
\V. Schiile.
Inhaltsverzeichnis.
Einleitung, Seite
1. Allgemeine Begriffsbestimmung der Gase, Dampfe und Fliissigkeiten
20 Die GroBen, die den Zustand der Gase und Dampfe bestimmen, und
ihre technisch gebrauchlichen Einheiteno Druckmessungo Temperatur-
messung o 0 •.• o 0 3
I. Die Gase.
30 Die Gasgesetze von Boy le (Mariotte) und von Gay-Lussac und das
vereinigte Boyle-Gay-Lussacsche Gesetz 0 0 0 o 0 o 0 0 10
40 Die allgemeine Zustandsgleichung der Gase o o o • • o 0 0 15
5o Zusammensetzung von Gasgemischen nach Gewichts- und Raumteileno
Spezifisches Gewicht aus der Zusammensetzungo Mittleres oder scheiu
bares Molekulargewicht . o o 0 o o • • . • o . • . o . . • 0 . . 18
60 Grundgesetze der chemischen Verbindung der Stoffe nach Gewicht und
Raumo Gemeinsame Beziehungen fiir alle Gase .... 0 . 19
70 Zustandsgleichung der Gasmischungen (Daltonsches Gesetz) 24
7ao Feuchte Luft . o . o o o o • o o o o o o 28
80 Die Brennstoffe und ihre Zusammensetzung o 0 . 32
90 Die technischen Verbrennungsprodukte o o o o o 35
9ao Die Raumverhaltnisse beim Verbrennungsvorgang 37
9bo Zur Beurteilung des Luftiiberschusses aus der Rauchgasanalyse . 45
100 Warmemenge und Temperatur, spezifische Warme 0 0 . 0 0 49
llo Abhangigkeit der spezifischen Warme von der Temperaturo Wahre
und mittlere spezifische Warme . . 0 0 0 0 0 • 0 0 . 0 . 52
120 Spezifische Warme der Gaseo Beziehung zwischen cP und c. 0 Verhaltnis
k = Cp/Cv o ... o o .. o .• o . o ... o .. o o o o • o o o 55
12ao Spezifische Warmen mehratomiger Gase und des gasformigen W asser-
dampfes 0 0 0 0 0 0 0 . 0 .... 0 0 0 . 0 0 0 60
130 Spezifische Warme des iiberhitzten Wasserdampfcs . 64
140 Spezifische Warme von Gasgemengen 66
14ao Spezifische Warme der Feuergase . 68
15. Heizwert der Brennstoffe 76
15a. Verbrennungstemperaturen . o . o 80
15bo Abgasverluste 0 . 0 0 0 . 0 0 0 83
160 Vermischungsdruck und Vermischungstemperatur von Gasen 85
017 0 Die Ausdehnungs- und Verdichtungsarbeit (Raumarbeit) der Gase und
Dampfeo Die absolute Arbeit und die Betriebsarbeit (Nutzarbeit) . . 89
180 EinfluB der Warme auf den Gaszustand im allgemeinen. Die verschie-
denen Zustandsanderungen 0 0 • . 0 0 . 0 . 0 . . 94
190 Zustandsanderung bei unveranderlichem Rauminhalt o o o o . o • • 9o5
200 Zustandsanderung bei unveranderlichem Druck . o 0 0 0 . 0 0 o o 97
21. Verwandlung von Warme in Arbeit und von Arbeit in Warme bei der
Zustandsanderung mit unveranderlichem Drucko Mechanisches Warme
aquivalento Erster Hauptsatz der mechanischen Warmetheorie o o o 99
220 Die Warmegleichung der Gaseo Verhalten der Gase bei beliebigen
Zustandsanderungen • 0 .. o o .. o . o . o .. o o o 0 o o o 0 102
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
23. Zustandsiinderung bei gleichbleibender Temperatur (Isothermische Zu
standsiinderung) . • . . . • . . . . . . . . • • • . • • . . . . 10 8
24. Zustandsiinderung ohne Wiirmezufuhr und Wiirmeentziehung (Adia
batische Zustandsiinderung) . . . . . . . . . . . . • . . . • . . 111
25. Verlauf der Druckkurven im allgemeinen. Polytropische Zustands
iinderung oder Zustandsiinderung mit unveriinderlicher spezifischer
Wiirme ...•••..•..............•.... 118
26. Die adiabatische Zustandsiinderung bei sehr groBen Unterschieden von
Temperatur, Druck und Volumen und bei sehr hohen Temperaturen 124
27. Das Wiirmediagramm und die Entropie der Gase • . • • . . 130
28. Entropiediagramme (T, S) der wichtigsten Zustandsiinderungen . 135
29. Die Entropietafel fiir Gase bei groBen Temperaturiinderungen 140
30. Die TVS-Tafel fiir Luft • . . . . . . . . . . . . • . . 143
Anwendungen zur Lehre von den Gasen.
31. Arbeitsaufwand zur Herstellung von Druckluft (Kompressorm). 145
32. Druckluft-Kraftiibertragung . . . • . . . . . . . . • . . • . 154
33. Die Arbeitsweise der Verbrennungsmotoren nach dem Ottoschen
Prinzip (Gas-, Benzin-, Spiritusmotoren) • . . . . . . . . . . . . 156
34. Die Arbeitsweise der Verbrennungsmotoren nach Diesel (Olmotoren) . 168
35. Die Vorgiinge in den Verbrennungsmotoren mit Riicksicht auf die Zu-
nahme der spezifischen Wiirme Cv mit der Temperatur (Beispiele) 167
36. Kiilteerzeugung unter Anwendung von Gasen als Kiiltetriigern . . . 171
11. Der erste und zweite Hauptsatz der mechanisehen Wiirmetheorie.
37. Wiirme und mechanische Arbeit. Erster Hauptsatz. Das Energiegesetz 175
38. Die Einheiten der mechanischen, kalorischen, chemischen und elek
trischen Energie . . • • • • . . • . . . • . . . . . . • . . . . 178
39. Der wirtschaftliche Wirkungsgrad der Wiirmekraftmaschinen . . . • 181
40. Die Grenzen der Gewinnung mechanischer Arbeit aus Wiirme. Der
Carnot~che KreisprozeB. Der Carnot-ProzeB fiir Gase mit veriinder
licher spczifischer Wiirme. Der riickliiufige Carnot-ProzeB (HeizprozeB,
KiilteprozeB). Der zweite Hauptsatz • . • • • . . . . . 183
41. Der Carnotsche KreisprozeB ·mit beliebigen Arbeitskorpern 193
42. Absolute Temperatur und Festpunkte der Temperatur 195
43. Die Entropie beliebiger Kiirper • . . . • • . . . . . . 199
Ill. Die Diimpfe.
Der Wasserdampf.
44. Der gesii.ttigte Wasserdampf. Druck und Temperatur. Spezifisches
Gewicht und Volumen . . . . . . • 203
45. Wii.rmemengen bei der Dampfbildung und der Kondensation des
Dampfes . • . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
46. Feuchtigkeitsii.nderung des gesiittigten Dampfes bei beliebigen Zustands
iinderungen. Kurven gleicher Feuchtigkeit (oder gleicher Dampf-
menge) .....•••••••••••••••.••••..• 218
47. Der iiberhitzte Wasserdampf. Entstehung. Wii.rmeinhalt. Wahre und
mittlere spezifische Wii.rme bei konstantem Druck. Zustandsgleichung.
Grenzkurve • • • . . . . . . • . • . • • • • • • . . • . . . . 220
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
48. Entropie des Wasserdampfes 225
a) Sattdampf . . . • • . 225
b) Uberhitzter Damp£ 229
49. Ausdehnung und Verdichtung des Sattdampfes ohne Feuchtigkeits-
anderung . . • . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . - . . 231
50. Ausdehnung und Verdichtung des Dampfes im warmedichten GefaB.
(Adiabatische Zustandsanderung) 232
a) Sattdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
b) HeiBdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
51. Zustandsanderung des Dampfes bei der Ausdehnung und Verdichtung
in den Dampfmaschinen 238
a) Sattdampf . . . . • . . . . . . . 238
b) HeiBdampf . . . . . . . . . . . . 239
52. Zustandsanderung bei konstantem Volumen 240
a) Sattdampf 240
b) HeiBdampf . . . . • . 243
53. Dampftafeln • . . • • • . • 245
1. Die TS-Tafel (Texttafel) 245
2. Die TVS-Tafe! (Tafel Ilia, Anhang) 246
54. Gesattigter Wasserdampf bei sehr hohen Driicken und Temperaturen 249
55. Zustandsiinderung der feuchten Luft bei gleichbleibendem Druck 250
56. Das Warmediagramm der feuchten Luft nebat Anwendungen 259
Dampfe von C02, NH3 und 802• Allgemeines Verhalten der
Dampfe. Dampfe und Gase.
57. Die Dampfe der Kohlensaure, des Ammoniaks und der schwefligen
Saure. Gemeinsame Eigenschaften aller Dampfe. Kritische Tempe
ratur. Verfliissigung der Gase . . . . . . . • . . . . • • . • . • 265
58. Die durch Drosselung hervorgebrachte Zustandsiinderung . . • . . 271
59. Die Thomson-Joulesche Abkiihlung. Der ideale und der wirkliche
Gaszustand. Abweichungen von der Zustandsgleichung. Gleichung
von van der Wals. Verfliissigung der Luft nach v. Linde. 281
IY. Stromende Bewegung der Gase und Diimpfe.
60. Al!gemeine Zuatandsverhiiltnisse in Fliissigkeits- und Gasstromen.
Druckverhaltnisse in Beziehung zu den Geschwindigkeiten. Statischer,
dynamischer und Gesamtdruck . . . . . 287
61. Stromung mit kleinen Druckanderungen . . . . . . . . . . . . 291
62. Stromlinienbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
63. Stromung mit beliebig groBen Druck- und Geschwindigkeitsiinderungen.
Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit. Umsetzungvon Geschwindig
keit in Druck. Allgemeine Bedingungen fiir den Querschnittsverlau£
bei beschleunigter und bei verzogerter Stromung. Geschwindigkeit
und Druck im. engsten Querschniit eingeschniirter Rohren bei der
Expansions-und bei der Verdichtungsstromung, kritische Druckverhalt-
nisse in beiden Fallen. DurchfluBmengen eingeschniirter Diisen . . 298
64. Ausstromung von Gasen und Diimpfen aus Miindungen. Sehr kleine
Drucknnterschiede. Ausstromung unter beliebig hohem Dberdruck.
Niederdruckgebiet. Kritisches Druckverhiiltnis. Naherungsgleichungen
fiir das ganze Niederdruckgebiet. Dberkritische Druckverhaltnisse bei
einfachen Miindungen . . . . . . . . . . . . . . • . . • . . . . 314
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
65. Expansionsdiisen (Lavalsche Diisen). Diisen bei erhohtem Gegen
druck. Dampfaufnahme der Diisen bei -wechselndem Anfangsdruck . 327
66. Berechnung des Arbeitsgefii.lles und der AusfluBgeschwindigkeit von
Damp£ mittels des Warmeinhalts . . . . . . . . . . . . 334
67. Das Warmegefiille der Dampfe in den Entropiediagrammen 336
68. Das Warmegefalle der Gase in den Entropiediagrammen . . 338
69. Die JS-Tafel fiir Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . 339
70. Die wirklichen AusfluBmengen und AusfluBgeschwindigkeiten 342
a) Allgemeine Verhiiltnisse. Geschwindigkeits-, Kontraktions-, Wider
stands- und AusfluBkoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . 342
b) Experimentelle Priifung der AusfluBformeln . • . . • . . . . 346
c) Miindungen in diinner Wand und scharfkantige, auBen diver-
gente Locher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
d) Kurze Ansatzrohre einsch. Lavaldiisen. Aktions- und Reaktions-
messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
e) Dberschallgeschwindigkeit bei einfachen Miindungen . . . . . 353
f) Einige besondere Falle. Drosselscheibe . . . . . . . . . 356
71. Strahlablenkung und Uberschallgeschwindigkeit bei einfachen, schief
abgeschnittenen Miindungen . . . . . . . . . , . . . . . . . . . 359
72. Spannungsverlust in Rohrleitungen. Glatte Rohre . . . . . . . . . 363
73. Rauhe Rohre und Rohrleitungen. Dampfleitungen. Untere Grenzen
fiir l. Glatte und gewellte Ausgleichrohre. Potenzformeln. Einzel
widerstande. Berechnung von Luft- und Dampfleitungen. Sehr
lange Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • 372
74. Der Arbeitsverlust durch Stromungswiderstiinde . . . . . . . . . . 382
75. Verhaltnis von Widerstandsarbeit und Arbeitsverlust (Geschwindig
keitsverlust). Wirkliche Zustandsanderung bei der Expansionsstrii
mung mit Widerstanden. Allgemeinste Form der Stromungsgleichung 383
76. Graphische Diisenberechnung . . . . . 391
77. Verdichtungsstromung mit Widerstiinden • . . . . . . . . • . . • 395
V. Anwendungen aus der Lehre von den Dlimpfen
und der Stromungslehre.
78. Die Arbeit des Dampfes in der Kolbendampfmaschine. Arbeit, Dampf
verbrauch, thermischer Wirkungsgrad des ldealprozesses. Reduzierter
Dampfverbrauch bei HeiBdampfbetrieb . . . . . . . . . . . . . . 401
79. Entropiediagramme des idealen Dampfmaschinen-Prozesses fiir Satt
dampf und HeiBdampf, Unvollstandige Expansion . . . . . . . . 409
80. Bestimmung der verlustfreien Nutzarbeit mit Hilfe der Entropietafeln 412
a) vollstandige Expansion . . . . . . • • • • . . . . . . . 412
b) unvollstandige Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
81. Ermittlung der theoretischen Dampfarbeit, des mittleren Druckes,
des Dampfverbrauchs und thermischen Wirkungsgrads von Kolben
maschinen mit schadlichem Raum und Kompression, mit Hilfe der
Entropie- und Volumentafeln . . • . . . . . . . . . . . . . . . 415
82. Vergleich der Leistung wirklicher Dampfmaschinen mit der Arbeit
der idealen Maschinen. Giiteverhiiltnis. Wirkungsgrade . . . . . 421
83. Uber den Vorteil des HeiBdampfbetriebs, der Verbundanordnung und
des Gleichstrums bei den Dampfmaschinen. Anderung des Dampf-
verbrauchs mit der Uberhitzung bei wirklichen Maschinen 427
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
Mechanische Wirkungen stromender Gase und Dii.mpfe.
84. Druck und Drehmoment abgelenkter freier Strahlen (Aktion) • . . 431
85. Schaufelung undWirkungsgrad der reibungsfreienAktions- oderDruck-
turbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . . . . 435
86. Reaktion und Reaktionsarbeit beschleunigter Gas- und Dampfstrome;
Reines Reaktionsrad; Vergleich mit dem Aktionsrad . . . . . 439
87. Gleichzeitiges Auftreten von Aktions- und Reaktionskrii.ften . • 446
88. Die einstufige Dberdruckturbine. Besonderer Fall. Turbinen mit
halber Reaktion . • . . . • . . . . . . . . • . . • • • • • 448
89. Die Radgeschwindigkeit und der Gang der Berechnung fiir die ein
stufige, reibungslose Dberdruckturbine . . . . . . . . . . . . • 453
90. Wirkungsgrad der einstufigen reibungsfreien tl"berdruckturbine; Ver
gleich mit der Druckturbine . . • . . . . • . • . • . . . • . . 457
Va. Klilteerzeugnng.
91. Kii.lteerzeugung mittels Dii.mpfen. Kii.lteleistung von 1 kg Kii.ltefliissig-
keit. Vergleich von NH3-, 802- und C02-Maschinen 461
92. Kalteerzeugung durch Wasserdampf . . • . . . . . . . . 467
VI. Allgemeine Thermodynamik beliebiger Korper.
93. Die innere Energie der Korper 471
94. Beliebige Zustandsii.nderung eines Gases oder Dampfes. Erste Haupt-
gleichung 475
95. Andere Form der ersten Hauptgleichung. Wii.rmeinhalt bei konstantem
Druck • • • 478
96. Kreisprozesse (der motorische Pro~eB) • 480
97. Riicklii.ufige Kreisprozesse (der Kii.lteprozeB) • 484
98. Der elementare KreisprozeB. Kiirzester Ausdruck des zweiten Haupt-
satzes fiir Kreisprozesse. Die Entropie • • 486
99. Die Entropie als ZustandsgroBe. Bestimmung der Entropiefunktion
fiir Gase und Dii.mpfe • • • 488
100. Entropiediagramm der Kreisprozesse. Thermischer Wirkungsgrad.
Prozesse der groBten Wii.rmeverwandlung 492
101. Arbeitswert der unter konstantem Druck entwickelten Warme. (Ver
brennung auf Rosten und in Gleichdruck-Verbrennungsmotoren. Satt-
dampfmaschine und Dampfturbine) 496
102. Arbeitswert der unter konstantem Volumen entwickelten Warme.
(Verbrennung in Explosionsmotoren) 498
103. Die Clapeyron-C!ausiussche Gleichung. 500
VII. Die nicht umkehrbaren Vorgii.nge.
104. Die Grundbedingungen der Umkehrbarkeit und die Grundfalle der
nicht umkehrbaren Zustandsanderungen . . • • • . . • • · • . . 503
105. Die wichtigsten nicht umkehrbaren Vorgii.nge und ihr Verhii.ltnis zum
zweiten Hauptsatz . . . . . . . . • . • . . . . . • • . . . . . 508
106. Der erste und zweite Hauptsatz bei den nicht umkehrbaren Zustands-
ii.nderungen • • . • . . • . . . • • . . • . . • • . 509
a) Zustandsanderungen mit Temperatursturz 510
b) Zustandsanderungen mit gestortem Gleichgewicht . 511