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

577 Pages·1921·22.84 MB·German

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

Technische
Thermodynamik
Von
Prof. ~i~L~Sng. W. Schfile
Vierte, neu bearbeitete Auflag-e
Erster Band
Die fiir den Maschinen ban wichtig-sten Lehren
nebst technischen Anwendungen
Mit 225 Textfiguren und 7 Tafeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1921
ISBN 978-3-662-35423-0 ISBN 978-3-662-36251-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-36251-8
Alle Reohte, insbesondere das der 'Obersetzung in fremde
Spraohen, vorbehalten.
Copyright by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1921
Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1921
Softcover reprint of the hardcover 4th edition 1921
Vorwort zur vierten Auflage.
Die vorliegende 4. Auflage des I. Bandes weist eine Reihe nicht
unerheblicher Veranderungen auf. Ein groBer Teil der friiheren Ab
schnitte ist allerdings im wesentlichen unveriindert geblieben, aber
der Aufbau des Buches ist insofern geiindert worden, als ein Teil
des friiher am SchluB des Bandes stehenden Hauptabschnitts iiber
die allgemeinen Grundlagen der mechanischen Wiirmetheorie als be
sonderer Hauptabschnitt zwischen die friiheren ersten zwei Haupt
abschnitte iiber die Gase und die Diimpfe eingeschaltet und im Zu
sammenhang damit umgearbeitet worden ist. Entsprechend mehr
fachen, beim Erscheinen der friiheren Auflagen geauBerten Wiinschen
sind nunmehr die zwei Hauptsatze schon an dieser Stelle ausfiihr
licher behandelt, so daB die nachfolgende Lehre von den Dampfen
schon bier eine feste Grundlage auch in Beziehung auf den II. Haupt
satz erhalt. Die Anwendungen der heiden Satze auf die Zustands
verhiiltnisse beliebiger Korper sind an ihrem friiheren Platz hinter
der Lehre von den Diimpfen und der Stromungslehre nebst ihren
Anwendungen verblieben. Die nicht umkehrbaren Zustandsanderungen
wurden dabei von den umkehrbaren getrennt und in einem besonderen
Hauptabschnitt zusammengefa3t. Der Sinn und Nutzen dieser all
gemeinen Siitze wird dadurch, da3 sie nicht an den Anfang des
Buches gestellt wurden, nach Ansicht des Verfassers dem noch nicht
kundigen Leser Ieichter und besser verstandlich und er wird vor
dem Eindruck bewahrt, als seien die einfachen physikalischen Vo r
ganga nicht ohne vorheriges Eindringen in die ,hoheren" Gebiete
verstandlich. Der Leser, dem mich Erledigung der Lehre von den
Gasen eine sofortige Beschiiftigung mit der Lehre von den Dampfen
erwiinscht ist, kann entsprechend der in den friiheren Auflagen ge
wiihlten Anordnung zuniichst auch die Abschnitte 40-43 iiber
schlagen, um sie spater mit umso gro3erem N utzen zu verarbeiten.
N eu hinzugekommen sind zur Lehre von den Diimpfen die Ab-
IV Vorwort.
schnitte 55 und 56 iiber die Zustandsanderung der feuchten Luft.
Weggefallen sind, als nicht zur eigentlichen Thermodynamik gehorig,
die friiheren Abochnitte 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
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 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 Ve rtrautheit 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
Obergang zum II. Band. Von 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.
lnhaltsverzeichnis.
Einleitung, Seite
1. Allgemeine Begriffsbestimmung der Gase, Dii.mpfe und Fliissigkeiten • 1
2. Die Grollen, die den Zustand der Gase und Dii.mpfe bestimmen, und
ihre technisch gebrii.uchlichen Einheiten. Druckmessung. Temperatur-
messung ....•.. 3
I. Die Gase.
3. Die Gasgesetze von Boyle (Mariotte) und von Gay-Lussac und das
vereinigte Boyle-Gay-Lussacsche Gesetz ............ 10
4. Die allgemeine Zustandsgleichung der Gase . . . . • . . . . . . . 15
5. Zusammensetzung von Gasgemischen nach Gewichts- und Raumteilen.
Spezifisches Gewicht aus der Zusammensetzung. Mittleres oder schein
bares Molekulargewicht . . . . • . • • • • . . • . . • • • . . • 1~
6. Grundge~etze der chemischen Verbindung der Stoffe nach Gewicht und
Raum. Gemeinsame Beziehungen fiir aile Gase' . • • . . • 19
7. Zustandsgleichung der Gasmischungen (D a Ito n sches Gesetz) 24
7a. Feuchte Luft . . • . . . . • . . . . . . . 28
8. Die Brennstoffe und ihre Zusammensetzung . . . 32
9. Die technischen Verbrennungsprodukte . . . . . 35
9a. Die Raumverhii.ltnisse beim Verbrennungsvorgang 37
9b. Zur Beurteilung des Luftiiberschusses aus der Rauchgasanalyse . 45
10. Wii.rmemenge und Temperatur, spezifische Wii.rme . • . . . 49
II. Abhii.ngigkeit der spezifischen Wii.rme von der Temperatur. Wahre
und mittlere spezifische Wii.rme . • . . . . . . . . . • . . • . . 52
12. Spezifische Wii.rme der Gase. Beziehung zwischen cP und c,,. Verhiiltnis
k=cp/c• .......•......•.......•..... 55
12a. Spezifische Wii.rmen mehratomiger Gase und des gasformigen Wasser-
dampfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
13. Spezifische Warme des iiberhitzten Wasserdampfcs . 64
14. Spezifische Wii.rme von Gasgemengen 66
14a. Spezifische Wii.rme der Feuergase 68
15. Heizwert der Brennstoffe 76
15a. Verbrennungstemperaturen . . . . 80
15b. Abgasverluste . . . . . . . . . 83
16. Vermischungsdruck und Vermischungstemperatur von Gasen 85
17. Die Ausdehnungs- und Verdichtungsarbeit (Raumarbeit) der Gase und
Dii.mpfe. Die absolute Arbeit und die Betriebsarbeit (Nutzarbeit) . . 89
18. Einflul3 der Warme auf den Gaszustand im allgemeinen. Die verschie-
denen Zustaddsii.nderungen • . . • . . . • . . . . 94
19. Zustandsii.nderung bei unverii.nderlichem Rauminhalt . . . . . . . 95
20. Zustandsii.nderung bei unverii.nderlichem Druck . . . . • • • . . . 97
21. Verwandlung von Wii.rme in Arbeit und von Arbeit in Wii.rme bei der
Zustandsii.nderung mit unveranderlichem Druck. Mechanisches Wii.rme
aquivalent. Erster Hauptsatz der mechanischen Warmetheorie . . . 99
22. Die Warmegleichung der Gase. Verhalten der Gase bei beliebigen
Zustandsii.nderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
23. Zustandsanderung bei gleichbleibender Temperatur (Isothermische Zu-
standsiinderung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
24. Zustandsiinderung ohne Wiirmezufuhr und Wiirmeentziehung (Adia
batische Zustandsanderung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 'femperaturen 124
27. Das Wiirmediagramm und die Entropie der Gase . . . . . . . 130
28. Entropiediagramme (T, S) der wichtigsten Zustandsiinderungen . 135
29. Die Entropietafel fiir Gase bei grollen 'femperaturiinderungen 140
30. Die TVS-'fafel fiir Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Anwendungen zur Lehre von den Gasen.
31. Arbeitsaufwand zur Herstellung von Druckluft (Kompressoren) . 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) . 163
35. Die Vorgiinge in den Verbrennungsmotoren mit Riicksicht auf die Zu-
nahme der spezifischen Wiirme Cv mit der 'femperatur (Beispiele) 167
36. Kiilteerzeugung unter Anwendung von Gasen ala Kiiltetriigern . . . 171
II. Der erste und zweite Hauptsatz der mechanischen Wlirmetheorie.
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 Wii.rmekraftmaschinen . . . • 181
40. Die Grenzen der Gewinnung mechanischer Arbeit aus Wiirme. Der
Carnot~che KreisprozeB. Der Carnot-ProzeB fiir Gase mit veriinder
licher spezifischer Warme. Der riickliiufige Carnot-ProzeB (HeizprozeB,
Kiilteprozell). Der zweite Hauptsatz . . . . . . . . . . 183
41. Der Carnotsche Kreisprozell mit beliebigen Arbeitskiirpern 193
42. Absolute Temperatur und Festpunkte der 'femperatur 195
43. Die Entropie beliebiger Korper . . . . . . . . . . . . 199
III. Die Dlimpfe.
Der W asserdampf.
44. Der gesiittigte Wasserdampf. Druck und 'femperatur. Spezifisches
Gewicht und Volumen . . . . . . . . . . 203
45. Wiirmemengen bei der Dampfbi!dung und der Kondensation des
Dampfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
46. Feuchtigkeitsiinderung des gesiittigten Dampfes bei beliebigen Zustands
iinderungen. Kurven gleicher Feuchtigkeit (oder gleicher Dampf-
menge) ........••••••........•.•... 218
47. Der iiberhitzte Wasserdampf. Entstehung. Wiirmeinhalt. Wahre und
mittlere spezifische Warme bei konstantem Druck. Zustandsgleichung.
Grenzkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Inhaltsverzeichnis. Vll
SPite
48. Entropie des Wasserdampfes 225
a) Sattdampf . . . . . . 225
b) t.l'berh1tzter Dampf 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) He1lldampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
51. Zustandsanderung des Dampfes bei der Ausdehnung und Verdichtung
in den Dampfmaschinen 238
a') Sattdampf . . . . . • . . . . . . . 238
b) Heilldampf . . . . . . . . . . . . . 239
52. Zustandsanderung bei konstantem Volumen 240
~&~~¢ ~
b) HeiBdamp£ . . . . . . 243
53. Dampftafeln . . . • . • . . 245
I. Die TS-Tafel (Texttafel) 245
2. Die TVS-Tafel (Tafel Ilia, Anhang) 246
54. GesattiiZter Wasserdampf bei sehr hohen Driicken und Temperaturen 249
.'55. Zustandsiinderung der feuchten Luft bei gleichbleibendem Druck 250
56. Das Warmediagramm der feuchten Luft nebst Anwendungen 259
Dampfe von C02, NH3 und 802. Allgemeines Verhalten der
Dampfe. Diimpfe und Gase.
57. Die Diimpfe der Kohlensaure, des Ammoniaks und der schwefligen
Saure. Gemeinsame Eigenschaften aller Dampfe. Kritische Tempe·
ratur. Verfliissigung der Gase • . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
58. Die durch Drosselung hervorgebrachte Zustandsande,·ung . . • . . 271
59. Die Thomson-Joulesche Abkiihlung. Der ideale und der wirkliche
Gaszustand. Abweichungen von der Zustandsgleichung. Gleichung
von van der Wals. Vertliissigung der Luft nach v. Linde . 281
IV. Stromende Bewegnng der Gase nod Dampfe.
60. Allgemeine Zustandsverhaltnisse in Fliissigkeitl;!- und Gasstromen.
Druckvuhaltnisse in Beziehung zu den Geschwindigkeiten. Statischer,
dynamischer und Gesamtdruck • . . . . 287
61. Stromung mit kleinen Druckanderungen . . . . . . . . . . . . 291
62. Stromlinienbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
63. Stri:imung mit belie big grollen Druck- und Geschwindigkeitsanderungen.
Um setzung von Druck in Geschwindigkeit. U msetzung von Geschwindig
keit in Druck. Allgemeine Bedingungen fiir den Querschnittsverlauf
bei beschleunigter und bei verzogerter Stromung. Gescbwindigkeit
und Druck im engsten Querschniit eingescbniirter Rohren bei der
Expansions-und bei der Verdichtungsstriimung. kritische Druckverhiilt-
nisse in heiden Fallen. Durchflullmengen eingeschniirter Diisen . . 298
f:i4. Ausstriimung von Gasen und Dampfen aus Miindungen. Sehr kleine
Druckunterschiede. Ausstri:imung unter beliebig bobem Uberdruck.
Niederdruckgebiet. Kriti>ches Druckverhaltnis. Naherungsgleichungen
fiir das ganze Niederdruckgebiet. Uberkritische Druckverhaltnisse bei
einfachen Miindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Vlll InhaJtsverzeichnis.
Seite
65. Expansionsdiisen (Lavalsche Diisen). Diisen bei erhi:ihtem Gegen·
druck. Dampfaufnahme der Diisen bei wechselndem Anfangsdruck . 327
66. Berechnung des ArbeitsgefiUies und der Ausflul3geschwindigkeit von
Dampf mittels des Warmeinhalts . . . . .. . . . . . . . 334
67. Das Warmegefalle der Dampfe in den Entropiediagrammen 336
68. Das Warmegefiille der Gase in den Entropiediagrammen . . 338
69. Die JS-Tafel fiir Wasserdampf ........•.... 339
70. Die wirklichen Ausflu13mengen und AusfluBgeschwindigkeiten 342
a) Allgemeine Verhiiltnisse. Geschwindigkeits-, Kontraktions-, Wider
stands- und AusfluBkoeffizient . . • . . . . . • . . . . . . 342
b) Experimentelle Priifung der AusfluBformeln . • . . . . . . . 34G
c) Miindungen in dunner Wand und scharfkantige, auBen diver-
gente Locher • • • . • . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
d) Kurze Ansatzrohre einsch. Lavaldiisen. Aktions- und Reaktions-
messung ....•.•...... · · · · · · · 349
e) tl"berschallgeschwindigkeit bei einfachen Miindungen . . 353
f) Einige besondere Faile. Drosselscheibe . . . . . . 356
71. Strahlablenkung und tl"berschallgeschwindigkeit bei einfachen, schief
abgeschnittenen Miindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 359
72. Spannungsverlust in Rohrleitungen. Glatte Rohre . . . . • 363
73. Rauhe Rohre und Rohrleitungen. Dampfleitungen. Untere Grenzen
fiir ).. Glatte und gewellte Ausgleichrohre. Potenzformeln. Einzel
widerstande. Berechnung von Luft- und Dampfleitungen. Sehr
lange Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 372
74. Der Arbeitsverlust durch Stromungswiderstande . . . . . . . . . . 382
75. Verhiiltnis von Widerstandsarbeit und Arbeitsverlust (Geschwindig
keitsverlust). Wirkliche Zustandsanderung bei der Expansionsstro
mung mit Widerstiinden. Allgemeinste Form der Str[imungsgleichung 383
76. Graphische Diisenberechnung . • . . . 391
77. Verdichtungsstromung mit Widerstanden ............ . 395
V. Anwendungen aus der Lehre von den Diimpfen
und der Stromungslehre.
78. Die Arbeit des Dampfes in der Kolbendampfmaschine. Arbeit, Dampf·
verbrauch, thermischer Wirkungsgrad des ldcalprozesscs. Reduzierter
Dampfverbrauch bei Hei13dampfbetrieb . . . . . . . . . . . . . . 401
79. Entropiediagramme des idealen Dampfmaschinen-Prozesses fiir Satt·
damp£ und HeiBdampf, Unvollstandige Expansion . . . . . . • . 409
80. Bestimmung der verlustfreien Nutzarbeit mit Hilfe der Entropietafeln 412
a) vollstandige Expansion . . . . . . . • . . . . . . . . . 412
b) unvollstiindige Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
81. Ermittlung der theoretischen Dampfarbeit, des mittleren Druckes,
des Dampfverbrauchs und thermischen Wirkungsgrads von Kolben
maschinen mit schiidlichem 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 Hei13dampfbetriebs, der Verbundanordnung und
des Gleichstroms bei den Dampfmaschinen. Anderung des Dampf-
verbrauchs mit der Uberhitzung bei wirklichen Maschinen . . . . 427
Lnhaltsverzeichnis. IX
Seite
Mechanische Wirkungen stromender Uase und Diimpfe.
84. Druck und Drehmoment abgelenkter freier· Strahlen (Aktion) . • . 431
85. Schaufelung undWirkungsgrad der reibungsfreien Aktions- oder Druck-
turbinen . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . . . . 435
86. Reaktion und Reaktionsarbcit 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 fii.r die ein
stufige, reibungslose Dberdruckturbine . . . . . . . . . . . . . 453
90. Wirkungsgrad der einstufigen reibungsfreien Dberdruckturbine; Ver
gleich mit der Druckturbine .• . . . . . . . . . . • . . . . . . 457
Va. KIUteerzeugung.
91. Kii.lteerzeugung mittels Dii.mpfen. Kii.lteleistung von 1 kg Kii.lteflii.ssig-
keit. VeFgleich von NH3-, 802- und 002-Maschinen 461
92. Kii.lteerzeugung durch Wasserdampf . . • . . . . . . . . 467
VI. Allgemeine Thermodynamik beliebiger Korper.
93. Die innere Energie der Korper . . . . . . . . . . . . . . 471
94. Beliebige Zustandsiinderung eines Gases· oder Dampfes. Erste Haupt
gleichung . . . • . . . . . • . . . . . • . . . . . . . . . . 4 75
95. Andere Form der ersten Hauptgleirhung. Wiirmeinhalt bei konstantem
Druck • . . • • . . . . . . . . . . . . 478
96. Kreisprozesse {der motorische ProzeB) ............. 480
97. Rii.ckliiufige Kreisprozesse (der Kii.lteprozeB) . . . . . . . . . . . 484
98. Der elementare KreisprozeB. Kiirzester Ausdruck des zweiten Haupt
satzes fiir Kreisprozesse. Die Entropie . • . . . . • . . • . . . 486
99. Die Entropie als ZustandsgriiBe. Bestimmung der Entropiefunktion
fiir Gase und Diimpfe • • . • . . . . . . . . . . . . . . • . . 48!<
100. Entropiediagramm der Kreisprozesse. 'rhermischer Wirkungsgrad.
Prozesse der griiBten Wiirmeverwandlung . . . . . . . . . . . . 492
101. Arbeitswert der unter konstantem Druck. entwickelten Wiirmc. (Ver
brennung auf Rosten und in Gleichdruck-Verbrennungsmotoren. Satt-
dampfmaschine und Dampfturbine) . . . . . . . . . . . 496
102. Arbeitswert der unter konstantem Volumen entwickelten Wiirme.
(Verbrennung in Explosionsmotoren) 498
103. Die Clapeyron·Clausiussche Gleichung. . . . . . f>OO
Vll. Die nicht umkellrbaren Vorgiinge.
104. Die Grundbedingungen der Umkehrbarkeit und die Grundfiille der
nicht umkehrbaren Zustandsiinderungen . . . . . . . . . . . .'>03
105. Die wichtigsten nicht umkehrbaren Vorgiinge und ihr Verhiiltnis zum
zweiten Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
106. Der erste und zweite Hauptsatz bei den· nicht umkehrbaren Zustands-
iinderungen . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
a) Zustandsiinderungen mit Temperatursturz 510
b) Zustandsiinderungen mit gestiirtem Gleichgewicht . ill 1