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Technische Thermodynamik Teil I Fran Bosnjakovic Technische Thermodynamik Teil I 8. korrigierte Auflage Von Professor Dr.-Ing. K. F. KNOCHE Rheinisch-Westfalische Technische Hochschule Aachen PROF. DR.-lNG. K. F. KNOCHE Lehrstuhl fUr Technische Thermodynamik RWTHAachen D-52056 Aachen Die Deutsche Bibliothek - CIP Einheitsaufnahme Bosnjakovic, Fran: Technische Thermodynamik / Fran Bosnjakovic. Von K. F. Knoche. Darmstadt; Steinkopff Teil 1.-8 .• korrigierte Aufl. - 1998 ISBN 3-7985-1114-4 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrages, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der VervieWiltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervielfaItigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Ein ze1fall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bun desrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © 1998 by Dr. Dietrich Steinkopff Verlag, GmbH & Co. KG Darmstadt Verlagsredaktion: Dr. Maria Magdalene Nabbe - Herstellung: Heinz 1. Schafer Umschlaggestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg Gedruckt auf saurefreiem Papier Vorwort 5 Vorwort zur 1. Auflage Ein Buch, das in strenger, aber knapper Form, unter sparsamer Verwendung mathemati scher Hilfsmittel das Wesentliche der wiirmetechnischen Probleme hervorhebt und be spricht, diirfte manchem Leser von Nutzen sein. Von dies em Grundsatz ausgehend, sind in dies em Buch die besprochenen Einzelprobleme so gewiihlt worden, daB sie zugleich als ein Skelett fUr den Ausbau allgemeiner wiirmetechnischer Erkenntnisse und Prinzipien dienen konnten. Als eine Richtlinie in diesem Siilm~ dienten die hervorragenden Vorle sungen des kiirzlich verstorbenen RICHARD MOLLIER. 1m vorliegenden ersten Teil des Buches werden nach einer EinfUhrung in die klassische Thermodynamik - unter besonderer Beriicksichtigung des zweiten Hauptsatzes - einige technisch besonders wichtige Wiirmeprobleme einfacher Stoffe behandelt. Die ausfUhrli che Behandlung der Diimpfe ist, abgesehen yom piidagogischen Wert solcher Betrachtun gen, unter anderem auch dadurch berechtigt, daB neuerdings der Dampfantrieb wohl auch bei Kraftfahrzeugen und Flugmaschinen mehr in den Vo rdergrund treten diirfte. Eine kleine Aufgabensammlung mit Losungen am Ende des Buches gibt dem Leser Gele genheit, die Anwendung der Formeln und der beigefUgten Wiirmediagramme kennenzu lemen, sich aber gleichzeitig mit dem einen oder anderen technisch interessanten Wiir meproblem bekanntzumachen, welches der Einheitlichkeit wegen niclit in den Text aufgenommen werden konnte. Mit Riicksicht auf die vorhandenen Taschenbiicher wurde auf die Aufnahme von Zahlen material verzichtet. Dieses ist besonders in der Hiitte, I. Bd., in so iibersichtlicher Weise und in einem so reichhaltigen Umfange vorhanden, daB eine Parallelverarbeitung nicht berechtigt erschien. Dadurch erkliirt sich auch das im Vergleich mit anderen Lehrbiichem fast vollstiindige Fehlen von Literaturquellen. Die Wiedergabe der sehr zahlreichen Abbil dungen ist durch das verstiindnisvolle Entgegenkommen des Verlegers ermoglicht wor den. DafUr bin ich ihm besonderen Dank schuldig. 1m zweiten Teil des Buches sollen die Mehrstoffprobleme und die Tieftemperaturtechnik behandelt werden. Fiir den Wiirmeingenieur diirften darunter besonders die Wiirmefragen bei den Verbrennungsprozessen, den Zweistoffgemischen (feuchte Luft, Absorptionsma schinen, Stofftrennung) und die Gasverfliissigung von Interesse sein. Es mag mir erlaubt sein, dieses anspruchslose Werk dem Andenken RICHARD MOLLIERS, des unvergessenen Lehrers und Forschers, zu widmen. Belgrad, im Herbst 1935 F. Bosnjakovic 6 Vorwort Vorwort zur 7. Auflage Die erste Auflage des vorliegenden Buches erschien im Jahre 1935 als Band der Reihe »Wiirmelehre und Wiirmewirtschaft«. Diese traditionsreiche Monographienreihe, deren Herausgeberschaft zunachst Herr Professor PAUER und spater Herr Professor ELSNER tiber nahm, wurde 1926 yom Verlag Theodor Steinkopff, Dresden, ins Leben gerufen. Die Reihe wurde nach 1945 fortgesetzt; sie wird heute yom Verlag flir Grundstotrmdustrie, Leipzig, sowie yom Verlag Technik, Berlin, weitergeflihrt. Die letzte deutschsprachige Auflage der »Technischen Thermodynamik« von F. BO§NIA KOVIC stammt aus dem Jahre 1972. In der Zwischenzeit sind im In- und Ausland zahlrei che neue und gute Lehrbticher zu diesem Thema erschienen, und es stellt sich die Frage, inwiefem eine Neuauflage dieses Buches noch berechtigt seLWir glauben aber, daB je nem bereits in der ersten Auflage des Werkes 1935 hervorgehobenen Anspruch, »unter sparsamer Verwendung mathematischer Hilfsmittel das Wesentliche der wiirmetechni schen Probleme« streng herauszuarbeiten und anschaulich darzustellen, gerade heute im Zeitalter der Mikroprozessoren eine ganz besonders groBe Bedeutung zukommt. Wir ha ben uns daher, dem Charakter der vorausgegangenen Auflagen entsprechend, bemtiht, die grundlegenden physikalischen und technischen Zusammenhange, wann immer moglich, in geeigneten Zustandsdiagrammen zu veranschaulichen, um dem Leser das Verstiindnis flir die Vorgiinge zu erleichtem. Aus diesem Bestreben, der Anschaulichkeit einen besonders hohen Stellenwert einzurau men, wurde der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht tiber die tibliche, etwas ab straktere Vorgehensweise CARATHEODORYS eingeflihrt; es schien angemessener, die klassi sche CLAusIUssche Argumentation durch eine Einflihrung in Gedankengiinge der statistischen Thermodynamik zu ergiinzen, zumal hier flir eine Vielzahl technischer Pro bleme Grundkenntnisse auch flir den Ingenieur unerliif3lich sind. Eingehender als bisher wird im Buch auch auf die Beurteilung der Wiirmevorgange mit Hilfe der Arbeitsfahigkeit oder Exergie eingegangen. Das erscheint uns mit Hinweis auf den unausweichlichen und deswegen um so mehr einzuschriinkenden VerschleiB der ver fligbaren Energievorrate der Welt unerlaBlich. Friihere Betrachtungen tiber die Wesensart der Warmestrahlung wurden vertieft und da bei auf deren Gaseigenschaften und Exergien besonders eingegangen. Als recht hilfreich erwies sich hierzu ein neues Energie-Entropie-Diagramm der Strahlung in der Art eines MOLLIERSchen Enthalpie-Entropie-Diagramms flir Wasserdampf. Aus grundsatzlichen Er wagungen wurde auch die Thermodynamik der thermischen Verwertung der Sonnenstrah lung in Kollektoren strahlungsverdichtender und flacher Bauart angeschnitten. Demge gentiber muBte die Lehre von der Wiirmetibertragung durch Konvektion und durch Strahlung dem II. Teil dieses Buches vorbehalten bleiben. Vorwort 7 Herr Dr.-Ing. TSATSARONIS und Herr Dr.-Ing. D. STEHMEIER, ehemalige Mitarbeiter des Lehrstuhls fUr Technische Thermodynamik der RWTH Aachen, haben groBe Teile des Manuskripts durchgesehen und wertvolle Anregungen gegeben. Besonders hervorheben mochten wir die Mitwirkung von Herrn Dr.-Ing.H.ENGELs, der den gesamten Text sorgflil tig durcharbeitete und durch zahlreiche wertvolle VerbesserungsvorschUige sehr zum Ge lingen des Werkes beitrug. Frau M. KEETH iibemahm die Reinschrift des Manuskriptes, auch ihr schulden wir fur ihre aufopfemde und geduldige Hilfe ganz besonderen Dank. Mage diese gemeinsam erarbeitete Neuauflage des Buches eine iihnlich freundliche Auf nahme in der Fachwelt finden, wie sie den vorausgegangenen Auflagen beschieden war! Stuttgart und Aachen, im Friihjahr 1988 F. Bo§njakovic K. F. Knoche 8 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1. Einfiihrung . 17 1.1. Zustand eines Korpers 17 1.2. Erstes G leichgewichtspostulat 17 1.3. Zweites Gleichgewichtspostulat oder Nullter Hauptsatz der Therrnodynamik 18 1.4. Temperatur und ihre Messung 19 1.5. Was ist Temperatur? 22 1.6. Druck 22 1.7. Einteilung der Zustiinde 24 1.8. Homogene Stoffe 25 1.9. Zustandsgleichungen 26 2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik flir geschlossene Systeme 28 2.1. Wiirmeiibergang 28 2.2. Arbeit 29 2.3. p, V-Diagramm . 31 2.4. Satz von der Erhaltung der Energie 33 2.5. Innere Energie . 35 2.6. Erster Hauptsatz der Therrnodynamik 36 3. Zustandseigenschaften einfacher Stoffe, insbesondere idealer Gase. . . . . 39 3.1. Thermische Zustandsgleichung idealer Gase 39 3.2. Satz von AVOGADRO . . . 42 3.3. Bestimmung der Molmasse 44 3.4. Allgemeine Gaskonstante 44 3.5. Norrnzustand und Normvolumen 45 3.6. Innere Energie idealer Gase, Versuch von GAy-LuSSAC 45 3.7. Spezifische Wiirmekapazitiit . . . . . . . . . 47 Inhaltsverzeichnis 9 3.8. Innere Energie. . . . . . . . . . . . 50 3.9. Stoffmengenspezifische (molare) Wiirmekapazitiit 52 3.10. Gasgemische . . . . . . . . . . . . 56 4. Quasistatische Zustandsiindemngen . . 60 4.1. Zustandsiinderung bei V= konst. (lsochore) 60 4.2. Zustandsiinderung bei p = konst. (lsobare) 61 4.3. Zustandsiinderung idealer Gase bei T= konst. (Isotherme) 63 4.4. Adiabate Zustandsiinderung 64 4.5. Poly trope Zustandsiinderung . . . . . . . . . . 67 S. Kreisprozesse.... 71 5.1. Arbeit des Kreisprozesses 71 5.2. CARNOT-Proze.B 74 5.3. Hei.Bkorper und Kaltkorper 75 5.4. Grundsiitzlicher Unterschied zwischen der Umwandlung von Arbeit in Wiirme und von Wiirme in Arbeit ...... . . . . . . .. 76 6. Zweiter Hauptsatz der Tbermodynamik 77 6.1. Formulierung des Gesetzes 77 6.2. Abgrenzung der Anwendbarkeit 78 6.3. Umkehrbare Vorgiinge 78 6.4. Nichtumkehrbare Vorgiinge 79 6.5. A1lgemeines Kriterium der Umkehrbarkeit und Nichtumkehrbarkeit 80 6.6. Nichtumkehrbarkeit und Arbeitsgewinnung bei Kreisprozessen 81 6.7. Absolute Temperatur ........ 83 6.8. Entropie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.9. Entropieproduktion und Nichtumkehrbarkeit ..... 90 6.10. Nichtumkehrbarkeit und Arbeitsgewinnung bei beliebigen Prozesscn 92 6.11. Maximales Arbeitsvermogen eines Gebildes . 94 6.12. Arbeitsverluste infolge Nichtumkehrbarkeiten 96 6.13. Allgemeine Eigenschaften der Entropie 98 6.14., Entropie idealer Gase . . . . 99 6.15. T.s-Diagramm . . . . . . . . 100 6.16. Entropie beliebiger einfacher Stoffe . 103 6.17. Thermodynamische Temperaturskala 105 10 Inhaltsverzeichnis 7. Typische Prozesse 108 7.1. Expansion von Druckluft . . . . . . . . . . 108 7.2. Verdichtung eines Gases in einem Unterdruckbehalter 110 7.3. Arbeit aus HeiBgasen . . . . . . . . . 110 7.4. Vergleichsprozesse der Verbrennungsmaschinen 112 7.4.1. Orro-ProzeB (GleichraumprozeB) 114 7.4.2. DIEsEL-ProzeB (GleichdruckprozeB) 115 7.4.3. SEILIGER-ProzeB 117 7.4.4. STIRLING-ProzeB . . . . . . . 118 7.5. Vermis chen von Gasen bei konstantem Gasvolumen V 120 7.6. Entropie idealer Gasgemische. . . . . . . . . 122 8. Offene Systeme 125 8.1. Drosselvorgang 125 8.2. Enthalpie 127 8.3. G leichdruckprozeB 130 8.4. Expansionsendtemperatur und Auspufftemperatur 133 8.5. Aufrullen von Behaltern 134 8.6. Vermis chung von Gasstromungen . 136 8.7. Stationare FlieBprozesse 138 8.8. Erster und Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik fUr offene Systeme 142 9. Wesen der Entropie . . . . . 145 9.1. Makrozustand und Mikrozustand 146 9.2. Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit 147 9.3. Raumliche Verteilung der Molekiile eines Gases 150 9.4. Energieverteilung. . . . . 160 9.4.1. Quantelung der Energiezustande .... 160 9.4.2. Verteilung der Teilchen auf Energiezustande 161 9.4.3. Wahrscheinlichster Zustand . . . . . . 166 9.4.4. Entropie und Temperatur . . . . . . . 168 9.4.5. BOSE-EINSTEIN-, FERMI-DlRAC-und BOLTzMANN-Statistik 170 9.5. Zustandssumme . . . . . . . . 172 9.6. Gasdruck und Volumenanderungsarbeit 172 9.7. Einatomiges ideales Gas 174 9.8. Starrer Rotator und harmonischer Oszillator 178 9.9. Verallgemeinerung des Temperaturbegriffs 184