Technische Thermodynamik: Grundlagen und Anleitung zum Lösen von Aufgaben

485 Pages·2016·5.93 MB·German

by  Heinz Herwig, Christian Kautz, Andreas Moschallski (auth.)

Heinz Herwig
Christian Kautz
Andreas Moschallski
Technische
Thermodynamik
Grundlagen und Anleitung zum
Lösen von Aufgaben
2. Auflage
Technische Thermodynamik
(cid:2) (cid:2)
Heinz Herwig Christian Kautz
Andreas Moschallski
Technische Thermodynamik
Grundlagen und Anleitung zum Lösen von
Aufgaben
2. überarbeitete Auflage
HeinzHerwig
ChristianKautz
AndreasMoschallski
TUHamburg-Harburg
Hamburg,Deutschland
IndererstenAuflageerschiendasBuchunterdemgleichenTitelbeimVerlagPearson.
ISBN978-3-658-11887-7 ISBN978-3-658-11888-4(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-11888-4
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Vorwort
ZumFachTechnischeThermodynamikexistierenvieleLehrbücher,sodassesguteGründe
gebenmuss,wenneinweitereshinzukommensoll.
DieBesonderheitendiesesLehrbuchesliegensowohliminhaltlichenKonzept(dieses
wirdinKap.1desBuchesnähererläutert)alsauchinderArtderEntstehung:Jedesein-
zelne Kapitel ist in einem Kreis von fünf, manchmal sechs in der thermodynamischen
LehreerfahrenenMitarbeiternbzw.Hochschullehrernausführlichdiskutiertworden.Da-
bei haben wir ganz unerwartete Erfahrungen gemacht: dass man nicht nur eine Stunde
diskutierenkann,wasdennnungenaueine„Zustandsgröße“ist,sondernauchnachzwei
Stunden noch keinen Konsens gefunden hat, ob denn der Enthalpie-Begriff auch auf
geschlossene Systeme angewandt werden sollte ... Auf diese Weise ist es von Detail-
änderungenbiszugrundsätzlichanderenDarstellungengekommen.
Andiesem intensivenDiskussionsprozess waren nebendendreiAutoreninsbesonde-
re(inalphabetischerReihenfolge)beteiligt:Dr.-Ing.DanielGloss,Dr.-Ing.MarcHölling
und Dr.-Ing. Georg Middelberg. Allen sei herzlich für den engagierten Einsatz gedankt,
derim„Alltagsgeschäft“einesUniversitätsbetriebesnurmöglichwar,weildafürsoman-
cheFreizeitstunde„geopfert“wurde.
VielleichtlässtschondieersteDurchsichtdesBucheserkennen,welcherAufwandin
derErstellungsteckt.ZuallererstistdabeiHerrnBastianSchmandt(inzwischenDr.-Ing.)
zudanken,derLATEX„virtuos“beherrschtundausderunmöglichstenVorlageeinperfektes
Druckbild erzeugen kann. Insbesondere bei der Gestaltung der Abbildungen haben wir
vonihmgelernt:„Gehtnichtgibt’snicht!“
UnserbesondererDankgiltFrauMoldenhauer,dieauchdieunleserlichsteHandschrift
in einen sinnvollen Text verwandeln kann. „Last but not least“ sei die sehr angenehme
ZusammenarbeitmitdemVerlaggenannt.DafürherzlichenDank!
Hamburg,Frühjahr2016 HeinzHerwig
ChristianKautz
AndreasMoschallski
V
Inhaltsverzeichnis
1 DasBuchundseinKonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 UmfangdesBuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Inhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
TeilI Grundlagen
2 EinführendeVorbemerkungen/Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 WasistThermodynamik?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 IstThermodynamikein„schwierigesFach“? . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Statistische/phänomenologischeThermodynamik . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 ThermodynamischesGleichgewicht–grundlegendeDefinitionen . . . 10
2.5 BeispieleausdemAlltag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 BeispieleaustechnischenAnwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 DasthermodynamischeVerhaltenvonStoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1 Zustandsgrößen,Zustandsgleichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Druck,spezifischesVolumenundTemperatur . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 IdealesGas(Modellgas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 RealeGase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 InkompressibleFlüssigkeit(Modellflüssigkeit) . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.7 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.7.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.7.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Der1.HauptsatzderThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 DerthermodynamischeEnergiebegriff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Der1.HauptsatzalsBilanzderthermodynamischenGesamtenergie . 34
4.3 Erläuterungenzum1.Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 1.HauptsatzfürgeschlosseneSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
4.4.1 DiethermodynamischeGesamtenergieundihreAnteile . . . 40
4.4.2 ProzessgrößeArbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.3 ProzessgrößeWärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5 1.HauptsatzfüroffeneSysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5.1 Massenbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5.2 SpezielleFormendes1.HauptsatzesfüroffeneSysteme . . . 49
4.5.3 MechanischeTeilenergiegleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.4 ThermischeTeilenergiegleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6 PolytropeZustandsänderungenidealerGase . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.8 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.8.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.8.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Der2.HauptsatzderThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1 DiethermodynamischeGrößeEntropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Der2.HauptsatzalsBilanzderEntropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 Erläuterungenzum2.Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.1 EntropieänderungdurchWärmeübertragung((cid:2)Q S) . . . . 77
rev
5.3.2 Entropieproduktion((cid:2) S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
irr
5.3.3 MateriellerEntropietransport((cid:2) S) . . . . . . . . . . . . . . . 83
k
5.4 SpezielleFormendes2.Hauptsatzes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.1 Der2.HauptsatzfürgeschlosseneSysteme . . . . . . . . . . . 83
5.4.2 Der2.HauptsatzfüroffeneSysteme . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 ErläuterungenzurProzessgrößeWärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5.1 IrreversibleWärmeübertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5.2 Wärmeübergangzwischen zweiSystemen im thermischen
Kontaktmiteinander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.3 ThermodynamischeMitteltemperaturderWärmeübertragung 89
5.6 UmwandelbarkeitvonWärmeinNutzarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.6.1 DasPrinzipderWärmekraftmaschine . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.6.2 ThermischerWirkungsgrad,Carnot-Faktor . . . . . . . . . . . 93
5.7 ExergieundAnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.7.1 QualitativeAngabenzurExergieundAnergie. . . . . . . . . . 96
5.7.2 QuantitativeAngabenzurExergieundAnergie . . . . . . . . . 97
5.7.3 ExergetischeWirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.7.4 BilanzenfürthermodynamischeSysteme,Flussdiagramme . 100
5.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.9 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.9.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.9.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Inhaltsverzeichnis IX
6 ThermodynamischeZustandsgleichungenreinerStoffe . . . . . . . . . . . 109
6.1 ThermodynamischeZustandsgleichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.1.1 ThermischeZustandsgleichung(p;v;T-Daten). . . . . . . . . 110
6.1.2 KalorischeZustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.1.3 Entropie-Zustandsgleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 ThermodynamischeFundamentalgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2.1 DieFundamentalgleichunguDu.s;v/. . . . . . . . . . . . . . 124
6.2.2 AlternativeFormenderFundamentalgleichung . . . . . . . . . 126
6.2.3 Reziprozitäts-undMaxwell-Beziehungen . . . . . . . . . . . . 127
6.3 Phasengleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.5 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.5.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.5.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7 IdealeGas-undGas-Dampf-Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.2 DieZustandsgleichungenidealerGasgemische . . . . . . . . . . . . . . 142
7.2.1 ThermischeZustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.2.2 KalorischeZustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.2.3 Entropie-Zustandsgleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.3 IdealeGas-Dampf-Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.3.1 UngesättigteundgesättigteGas-Dampf-Gemische . . . . . . . 145
7.4 FeuchteLuft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.4.1 SpezielleMaßangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.4.2 SpezifischeGrößenfeuchterLuft . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.4.3 Dash ;X-DiagrammfeuchterLuft . . . . . . . . . . . . . . . 153
1+X
7.4.4 TypischeProzessemitfeuchterLuft . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.4.5 Kühlgrenz-undFeuchtkugeltemperaturen . . . . . . . . . . . . 161
7.4.6 DasPsychrometer-Messprinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.6 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.6.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.6.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8 ThermodynamischeKreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.1 KreisprozesseintechnischenAnlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.2 Energie-undEntropiebilanzenfürKreisprozesse . . . . . . . . . . . . . 185
8.2.1 EnergiebilanzfürKreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2.2 EntropiebilanzfürKreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.3 IdealisierteVergleichsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.3.1 DerCarnot-Prozess(idealisierterVergleichsprozess). . . . . . 190
X Inhaltsverzeichnis
8.3.2 DerJoule-Prozess(idealisierterVergleichsprozess) . . . . . . 190
8.3.3 Der Clausius-Rankine-Prozess(idealisierter Vergleichspro-
zess) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.4 DerSeiliger-Prozess(idealisierterVergleichsprozess) . . . . . 193
8.4 Kreisprozess-Systematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.6 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.6.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.6.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9 Arbeitsprozesse(rechtsläufigeKreisprozesse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.1 Definitionen,grundlegendeÜberlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.2 Wärmekraftmaschinenund-anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.2.1 GeschlosseneGasturbinenanlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.2.2 EinfacheDampfkraftmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.2.3 VerbesserteDampfkraftmaschine:Zwischenüberhitzungund
Speisewasser-Vorwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.2.4 Kernkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.2.5 Kraft-Wärme-Kopplung(KWK)beiWärmekraftmaschinen . 216
9.2.6 WirkungsgradevonWärmekraftanlagen . . . . . . . . . . . . . 217
9.3 Verbrennungskraftmaschinenund-anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.3.1 OffeneGasturbinenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.3.2 Otto-undDieselmotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.3.3 Kraft-Wärme-Kopplung(KWK)beiVerbrennungsmotoren . 226
9.4 KombinierteGas-Dampf-Kraftwerke(GuD) . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.6 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.6.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.6.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
10 Wärmeprozesse(linksläufigeKreisprozesse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.2 EnergetischeundexergetischeAspektedesHeizensundKühlens . . . 244
10.3 HeizenmitWärmepumpen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.3.1 Kompressions-Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.3.2 WärmepumpenimVergleichmitanderenHeizsystemen . . . 252
10.4 KühlenmitKältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.4.1 Kompressions-Kältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
10.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.6 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.6.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.6.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Inhaltsverzeichnis XI
11 StationäreStrömungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.1 EindimensionaleNäherungindurchströmtenQuerschnitten . . . . . . 264
11.2 GleichungenfüreindimensionaleDurchströmungen . . . . . . . . . . . 266
11.3 StrömungenohneEnergietransfer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
11.3.1 InkompressibleStrömungenohneEnergietransfer . . . . . . . 269
11.3.2 KompressibleStrömungenohneEnergietransfer . . . . . . . . 271
11.4 StrömungenmitEnergietransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.4.1 InkompressibleStrömungenmitEnergietransfer . . . . . . . . 279
11.4.2 KompressibleStrömungenmitEnergietransfer . . . . . . . . . 280
11.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.6 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.6.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.6.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
12 Verbrennungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.1 VerbrennungsreaktionenundMengenangaben . . . . . . . . . . . . . . . 292
12.2 BilanzenbeiVerbrennungsprozessen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
12.2.1 StofflicheBilanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
12.2.2 EnergetischeBilanzen,Feuerungsprozesse. . . . . . . . . . . . 295
12.2.3 ExergetischeBilanzen,Verbrennungskraftprozesse . . . . . . 299
12.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.4 FragenundderenDiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.4.1 Fragen–Stimmtes,dass...?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.4.2 DiskussionderFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
TeilII AnleitungzumLösenvonAufgaben
13 DasSMART-Konzept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.1 DasSMART-Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.1.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.1.2 AufgabenstellungundLösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.2 SMART-EVE:EinKonzeptindreiSchritten . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14 AusgewählteÜbungsaufgabenzudeneinzelnenKapiteln . . . . . . . . . . 315
14.1 ZuKapitel3:DasthermodynamischeVerhaltenvonStoffen . . . . . . 315
14.1.1 Aufgabe3.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
14.1.2 LösungvonAufgabe3.1nachdemSMART-EVE-Konzept . 316
14.1.3 Aufgabe3.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
14.1.4 LösungvonAufgabe3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14.1.5 Aufgabe3.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
14.1.6 LösungvonAufgabe3.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
14.2 ZuKapitel4:Der1.HauptsatzderThermodynamik . . . . . . . . . . . 330