Technische Thermodynamik: für Studenten des Maschinenbaus und der Elektrotechnik ab 1. Semester

167 Pages·1992·3.62 MB·German

by  Karl-Friedrich Knoche (auth.)

Karl-Friedrich Knoche
Technische Thermodynamik
.;___-- Aus dem
Pr08& .......
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Naturwissenschaftliche Grundlagen
für Ingenieure
Grundlagen der Technischen Thermodynamik
von N. Elsner
Technische Thermodynamik
von K.-F. Knoche
Die Methode der Finiten Elemente
in der elementaren Strukturmechanik
von J. Argyris und H.-P. Mlejnek
Einführung in die Strömungstechnik
von K. Gersten
Abgelöste Strömungen
vonA.Leder
Führer durch die Strömungslehre
von L. Prandtl, K. Oswatitsch und K. Wieghardt
Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffa ustausch
von M. Jischa
Einführung in die Wärmeübertragung
von E.-u. Schlünder
Grundlagen der Stoff- und Energiebilanzierung
von H. Schnitzer
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Karl-Friedrich Knoche
Technische
Thermodynamik
für Studenten des Maschinenbaus
und der Elektrotechnik
ab 1. Semester
4., vollständig überarbeitete Auflage
Mit 110 Bildern
11
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Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Knoche, Karl-Friedrich:
Technische Thermodynamik: für Studenten des
Maschinenbaus und der Elektrotechnik ab 1. Semester /
Karl-Friedrich Knoche. - 4., vollst. überarb. Aufl.
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1992
ISBN 978-3-528-33023-1 ISBN 978-3-322-91521-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91521-4
1. Auflage 1972
2., vollständig überarbeitete Auflage 1978
3., durchgesehene Auflage 1981
4., vollständig überarbeitete Auflage 1992
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig / Wiesbaden, 1992
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International.
Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwer
tung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf deshalb
der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages.
ISBN 978-3-528-33023-1
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Vorwort zur 4. Auflage
Die vorliegende vierte Auflage wurde gegenüber der dritten gründlich überarbeitet. Dabei
wurde das Grundkonzept des Buches, als Vorlesungsbegleitbuch zu dienen, beibehalten.
Deswegen findet man auch in der neuen Auflage nur wenig verbindenden Text, welcher
den Studenten zum "Vorauslesen" verführen könnte.
In der Darstellung wurde großer Wert auf Anschaulichkeit gelegt. Aus diesem Grund
wurde der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik in Anlehnung an die historische Art der
Darstellung zunächst für geschlossene Systeme eingeführt und später durch elementare
Überlegungen zur statistischen Thermodynamik ergänzt.
Dampfkraft- und Wärmepumpenprozesse wurden vorwiegend im schiefwinkligen h, s
Diagramm dargestellt, in welchem sowohl die Energieumsetzung als auch die Entropiepro
duktion in allen Prozeßschritten erfaßt und miteinander verglichen werden können.
Herr Dr.-Ing. W. Esser-Schmittmann hat das gesamte Manuskript kritisch durchgesehen
und wertvolle Verbesserungsvorschläge gegeben, wofür ich ihm herzlich danken möchte.
Frau M. Keeth verdanke ich die sorgfältige Gestaltung des Textes; nach ihrer Vorlage
wurde das Buch photomechanisch erstellt. Herrn Dipl.-Ing. R. Strauß danke ich für ein
"letztes" Korrekturlesen.
Aachen, im Dezember 1991 K. F. Knoche
VI
Inhaltsverzeichnis
1 Grundbegriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Thermodynamisches System ...................................... 1
1.2 Zustand und Zustandsgrößen; Prozeß .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Natürliche Vorgänge und Gleichgewicht; Temperatur ................ 4
1.4 Nullter Hauptsatz ............................................... 5
1.5 Temperaturfixpunkte und empirische Temperaturskala . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Thermische Zustandsgleichung idealer Gase ........................ 6
1.6.1 Versuch von Gay-Lussac .................................. 6
1.6.2 Boyle-Mariottesches Gesetz ............................... 6
1.6.3 Zustandsgleichung idealer Gase ............................ 7
1.6.4 Vollständiges Differential ................................. 8
2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik .................................. 11
2.1 Volumenänderungsarbeit ........................................ 11
2.2 Innere Energie ................................................. 13
2.3 Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme ......................... 14
2.4 Innere Energie idealer Gase ...................................... 15
2.5 Spezifische Wärmekapazität ...................................... 18
3 Zustandsänderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Quasistatische und nichtstatische Zustandsänderungen ............... 23
3.2 Quasistatische Zustandsänderungen ............................... 24
3.2.1 Zustandsänderung bei konstantem Volumen (Isochore) .... . . .. 24
3.2.2 Zustandsänderung bei konstantem Druck (Isobare) ........... 25
3.2.3 Zustandsänderung bei pV = konst. .......................... 26
3.2.4 Isentrope Zustandsänderung ............................... 26
3.2.5 Polytrope Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4 Kreisprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Otto-Prozeß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Rechtslaufender Carnot-Prozeß .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Linkslaufender Carnot-Prozeß .................................... 36
4.4 Rechtslaufende und linkslaufende Kreisprozesse .................... 38
5 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1 Umkehrbare und nichtumkehrbare Prozesse.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2 Umkehrbare Kreisprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3 Absolute Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Nichtumkehrbare Kreisprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.5 Clausiussche Ungleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Inhaltsverzeichnis VII
5.6 Entropie....................................................... 46
5.7 Arbeitsleistung und Nichtumkehrbarkeit ........................... 47
5.8 Entropieänderung idealer Gase ................................... 48
5.9 T,s-Diagramm für einfache Stoffe ................................. 50
6 Offene Systeme ..................................................... 53
6.1 Drucklufterzeugung (Gleichdruckprozeß) .......................... 53
6.2 Stationärer Fließprozeß .......................................... 54
6.2.1 Quasistatische Zustandsänderungen bei stationären
Fließprozessen ........................................... 55
6.2.2 Reibungsbehaftete adiabate Expansion und Kompression ...... 57
6.3 Erster und Zweiter Hauptsatz für offene Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7 Das Wesen der Entropie.. . . . .... . . .... . . ..... ................ ...... .. 61
7.1 Statistische Deutung des adiabaten Druckausgleichs ................. 61
7.2 Statistische Enegieverteilung ..................................... 65
7.3 Wahrscheinlichkeit und Entropie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8 Reale Gase und Dämpfe ..... '" . . .... . . ..... . ................ ........ 71
8.1 Der Verdampfungsvorgang . ..... . . . .... . . . ... . . . . ......... . .. .... 71
8.2 Zustandsänderungen des Naßdampfes ............................. 74
8.3 Clapeyron-Clausius-Gleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.4 Zustandsgleichung nach van der Waals ............................. 76
8.5 Weitere Zustandsgleichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.5.1 Redlich-Kwong-Gleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.5.2 Virialgleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.5.3 Wasserdampfformeln ..................................... 80
8.6 Kalorische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.7 Zweiphasengebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9 Wärmekraftprozesse ................................................. 87
9.1 Mittlere Temperatur des Wärmeumsatzes .......................... 87
9.2 Dampfkraftprozeß.............................................. 89
9.2.1 Einfache Dampfkraftanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.3 Dampfkraftprozeß im Mollier h,s-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.3.1 h,s-Diagramm von R. Mollier .............................. 91
9.3.2 Zwischen überhitzung ..................................... 92
9.3.3 Speisewasservorwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3.4 Kraft-Wärme-Kopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.4 Gasturbinenprozesse ............................................ 97
9.4.1 Der einfache offene Gasturbinenprozeß ..................... 97
9.4.2 Gasturbinenprozeß mit interner Wärmerückgewinnung
(Rekuperator) ........................................... 100
VIII Inhaltsverzeichnis
10 Exergie ............................................................ 103
10.1 Exergie eines Fremdstoffs mit der Umgebung ....................... 103
10.2 Mollier-h,s-Diagramm und Exergie ................................ 104
11 Strömungsvorgänge .................................................. 107
11.1 Kontinuitätsgleichung ...........................................- 108
11.2 Energieumsatz; Erster Hauptsatz ................................ " 108
11.3 Polytrope Zustandsänderungen ................................... 109
11.4 Adiabate Strömungsprozesse ..................................... 114
11.4.1 Strömungsquerschnitte ........................ . . . . . . . . . . .. 117
11.4.2 Der senkrechte Verdichtungsstoß ................ , .. , . . . . . .. 121
11.4.3 Schwacher Stoß; Schallgeschwindigkeit ...................... 123
11.5 Prinzip des Strahltriebwerkes ..................................... 124
12 Grundlagen der Kältetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
12.1 Kältemaschinen und Kältetechnik ................................. 127
12.2 Grundlagen der Gasverflüssigung ................................. 130
12.2.1 Joule-Thomson-Effekt .................................... 130
12.2.2 Gasverflüssigungsverfahren nach Linde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
13 Gemische und Mischungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133
13.1 Gemische ...................................................... 133
13.1.1 Gemische idealer Gase .................................... 134
13.2 Adiabate Mischung idealer Gase .................................. 135
13.2.1 Mischung im geschlossenen System ......................... 135
13.2.2 Stationärer und adiabater Mischungsprozeß .................. 138
13.3 Feuchte Luft ................................................... 139
13.3.1 Zustandsgrößen feuchter Luft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139
13.3.2 Mollier-h,x-Diagramm für feuchte Luft ...................... 143
13.3.3 Adiabate Mischung feuchter Luft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
13.3.4 Mischung mit Wärmezufuhr ............................... 146
13.3.5 Zumischung von Wasser bzw. Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
14 Verbrennungsvorgänge und andere chemische Umsetzungen. . . .. ...... . . .. 149
14.1 Stoffumsatz .................................................... 149
14.1.1 Oxidationsverhältnis A und Verbrennungsverhältnis X ......... 151
14.2 Feste und flüssige Brennstoffe .................................... 152
14.3 Energiebilanz .................................................. 153
14.3.1 Adiabate Verbrennungstemperatur ......................... 156
14.4 Entropiebilanz und Irreversibilitäten der Verbrennung ............... 157
14.4.1 Exergieverlust bei adiabater Verbrennung ................... 157
1
Kapitell
Grundbegriffe
1.1 Thermodynamisches System
Ein thermodynamisches System ist die zweckmäßige Abgrenzung thermodynamisches
einer bestimmten Stoffmenge oder eines bestimmten räumlichen System
Bereiches. Besteht ein System aus mehreren Körpern, so wird es
auch als Körpergebilde bezeichnet.
Die (gedachte) Grenze des Systems, die Kontrollgrenze oder Bi Kontrollgrenze
lanzhülle ermöglicht die Registrierung aller in das System ein Bilanzhülle
bzw. aus dem System austretenden Massen- bzw. Energieströme.
Beispiele eines Systems: Dampfkraftwerke, aber auch der Wasser- bzw.
Dampfkreislaufin einem Kraftwerk oder die Dampfturbinej der Zylinder eines
Verbrennungsmotorsj eine Luftzerlegungsanlagej die Gesamtheit der Elektro
nen in einer elektrischen Entladungj ein Volumenelement in einer strömenden
Flüssigkeit.
Das System kann von seiner Umwelt völlig isoliert sein, so daß es abgeschlosssenes
mit anderen Systemen weder Masse noch Energie austauscht. Ein (isoliertes)
solches System nennt man abgeschlossenes oder isoliertes System. System
Wenn kein Massenaustausch zwischen dem System und anderen geschlossenes
Systemen vorliegt, aber Energieaustausch möglich ist, spricht man System
von einem geschlossenen System.
Bei einem offenen System sind sowohl Massenaustausch als auch offenes System
Energieaustausch zwischen dem System und anderen Systemen
möglich.
Weitere Literatur hierzu: Baehr[2]j Haase[8]j Grigul/[7]
2 1 Grundbegriffe
1.2 Zustand und Zustandsgrößen;
Prozeß
Der Zustand eines Systems wird durch eine Anzahl Parame
ter festgelegt, so z.B. der Bewegungszustand (Mechanik) durch
Angabe der Lage und der Geschwindigkeit, der Spannungszu
stand (Festigkeitslehre) durch Angabe des Spannungstensors. In
äußerer Zustand der Thermodynamik wird nicht nur der äußere Zustand (Bewe
innerer Zustand gungszustand), sondern auch der innere Zustand eines Systems
möglichst genau beschrieben.
homogene Beschränkung auf homogene Systeme (Phasen), d.h. auf solche
Systeme Systeme, bei denen die chemische Zusammensetzung und die phy
sikalischen Eigenschaften in allen Teilen des Systems gleich sind.
Mögliche Aggregatzustände sind: Fest, flüssig, gasförmig.
Feste Körper: Großer Widerstand gegen Formänderung und Vo
lumenänderung.
Flüssige Körper: Kleiner Widerstand gegen Formänderung,
großer Widerstand gegen Volumenänderung.
Gasförmige Körper: Kleiner Widerstand gegen Formänderung,
relativ kleiner Widerstand gegen Volumenänderung.
Der innere Zustand eines Gases kann i.a. eindeutig durch die
Masse m, das Volumen V und den Druck p des Gases angegeben
werden.
Zustandsgrößen Eindeutige Beschreibung des Zustandes eines Systems ist in der
Regel durch einige wenige Parameter, sogenannte unabhängige
Zustandsgrößen x,y, ... (z.B. Druck p, Volumen V, Masse m, ... )
möglich.
Alle meßbaren Eigenschaften des Systems hängen im Rahmen der
Meßgenauigkeit nur von diesen unabhängigen Zustandsgrößen ab,
d.h. jede beliebige Eigenschaft cp des Systems kann als Funktion
der unabhängigen Zustandsgrößen x,y, ... beschrieben werden.
=
cp cp(x,y, ... ) (1.2-1 )
Die Wahl der Zustandsgrößen x,y, ... ist dabei beliebig, solange
sie wirklich voneinander unabhängig sind, d.h. zwischen ihnen
kein funktionaler Zusammenhang
=
F(x,y, ... ) 0 (1.2-2)
gefunden werden kann.1
lZum Beispiel sind das Volumen V, die Masse m und die Dichte p nicht
voneinander unabhängig, sondern über die Definitionsgleichung der Dichte
(p - rn/V == 0) miteinander verknüpft.