Thermodynamik: Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen

452 Pages·1978·37.11 MB·German

by  Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr (auth.)

Hans Dieter Baehr
Thermodynamik
Eine Einführung in die Grundlagen
und ihre technischen Anwendungen
Vierte, berichtigte Auflage
Mit 271 Abbildungen und zahlreichen Tabellen
sowie 80 Beispielen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1978
Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr
Professor für Thermodynamik an der Hochschule der Bundeswehr Hamburg
ISBN 978-3-662-10534-4 ISBN 978-3-662-10533-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10533-7
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Baehr, Hans Dieter: Thermodynamik: e. Einf. in
d. Grundlagen u. ihre techn_ Anwenduugen / Hans Dieter Baehr. - 4., berichtigte AufI . - Berlin.
Heidelberg, New York: Springer, 1978.
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Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978.
Softcover reprint ofthe hardcover 4th edition 1978
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2061/3020-543210
Vorwort zur vierten Auflage
Seit dem Erscheinen der dritten Auflage ist die Bedeutung der Ener
gietechnik nicht nur Ingenieuren, sondern auch einer breiten Öffentlich
keit noch stärker bewußt geworden. Die Thermodynamik als eine der
Grundwissenschaften der Energietechnik findet damit in der Ausbildung
des Ingenieurs wieder stärkere Beachtung. Die Anwendung der Thermo
dynamik auf Probleme der Energietechnik hat in meinem Buch stets
einen breiten Raum eingenommen, wobei ich besonders auf die Behand
lung der Exergie und Anergie, der Heizprozesse und der Wärme- und
Verbrennungs-Kraftanlagen hinweisen möchte. Ich konnte daher, selbst
angesichts der neueren Entwicklungen, zum jetzigen Zeitpunkt darauf
verzichten, größere Umarbeitungen vorzunehmen. Die vierte Auflage er
scheint daher als berichtigte Neuauflage, in der Druckfehler und kleinere
Irrtümer beseitigt sind.
Hamburg, im Oktober 1978 H.D.BAEHR
Aus dem Vorwort zur dritten Auflage
Die dritte Auflage meines Lehrbuches unterscheidet sich von der
vorangegangenen durch eine gründliche und umfassende Neubearbei
tung. Trotz mancher wesentlicher .Änderungen habe ich aber die be
währte Gliederung beibehalten. Auch Ziel und Anlage des Buches sind
gleich geblieben: Es soll eine sicher fundierte Einführung in die klassi
sche Thermodynamik und ihre technischen Anwendungen geben. Das
aus meinen Vorlesungen hervorgegangene Buch ist vornehmlich als
Lehrbuch für Studierende an Universitäten und Fachhochschulen ge
dacht. Es dürfte auch allen Ingenieuren nützlich sein, die sich um ein
Verständnis der Grundlagen der Thermodynamik bemühen.
Bekanntlich rechnet man die Thermodynamik wegen der Eigenart
ihrer Begriffsbildung und wegen der ihr eigentümlichen Methodik zu
den schwierigen Grundlagenfächern der Ingenieurwissenschaften, die
sich besonders dem Anfänger nicht ohne Mühe erschließen. Man ver
sucht häufig, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß man die
Darstellung der allgemeinen Grundlagen eng mit den technischen An-
VI Vorwort
wendungen verknüpft. Der Student erwirbt dabei zwar eine gewisse
Fertigkeit im Umgang mit Formeln für technische Sonderfälle; ihm
fehlt aber oft ein tieferes Verständnis für die logischen Zusammenhänge,
und er versteht häufig nicht, Grundlegendes und Allgemeingültiges
von dem zu unterscheiden, was nur unter einschränkenden Voraus
setzungen für einen besonderen Anwendungsfall gilt. Ich habe mich
daher bemüht, die Grundlagen der Thermodynamik ausführlich, in
hinreichender logischer Strenge und so allgemein wie nötig darzustellen.
Auch der größte Teil der Umarbeitungen, Ergänzungen und Erweite
rungen diente der klareren Darstellung grundlegender Zusammen
hänge. Stofflichen Erweiterungen wurden Kürzungen entgegengestellt,
und manchmal brachte die Umarbeitung auch eine Straffung des Textes
mit sich, so daß der Umfang des Buches gegenüber der zweiten Auf
lage etwas verringert werden konnte.
Von den zahlreichen Änderungen möchte ich die folgenden nennen.
Der Arbeitsbegriff fand in Kapitel 2 eine genauere und eingehendere
Darstellung, insbesondere wurde auch die Arbeit am Element eines
strömenden Fluids behandelt, für das auch die besondere Form des
1. Hauptsatzes angegeben wird. Die in den früheren Auflagen gebrachte
Einführung der Entropie (Kapitel 3) habe ich verallgemeinert und mit
ausführlichen Beweisen versehen, um die Ergebnisse neuerer axiomati
scher Untersuchungen, Stellung und Bedeutung von Caratheodorys
Unerreichbarkeitsaxiom betreffend, zu berücksichtigen. Die früher nur
kurz erwähnten Begriffe Entropieströmung und Entropieerzeugung habe
ich ausführlich und auch in ihrer Anwendung auf technische Probleme
dargestellt, wobei die mit der Entropieerzeugung eng verknüpfte Dissi
pationsenergie neu eingeführt wurde. Das bewährte Kapitel 4 über die
thermodynamischen Eigenschaften reiner Stoffe enthält neue Ab
schnitte über die Berechnung isentroper Enthalpieditterenzen und die
Eigenschaften 1JOn Fe8tkörpern. Eine gründliche Umarbeitung erfuhr das
fitr die technischen Anwendungen besonders wichtige Kapitel über die
stationären Fließproze8se (Strömungsprozesse lind Arbeitsprozesse ). Hier
habe ich mich vor allem bemüht, die grundlegenden Zusammenhänge
zwischen technischer Arbeit, Dissipationsenergie und der Zustandsände.
rung des strömenden Fluids genauer und weit ausführlicher als bisher
darzustellen. Die Energetik der Verbrennungsprozesse in Kapitel 8
habe ich neu geschrieben; dieses Kapitel wurde außerdem durch eine
kurze Behandlung der Brennstoffzelle ergänzt.
Bochum, im Frühjahr 1973
H.D.BAEHR
Inhaltsverzeichnis
1. Allgemeine Grundlagen
1.1 Thermodynamik .................. 1
1.11 Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik 1
1.12 Was ist Thermodynamik? 7
1.2 System und Zustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.21 System und Systemgrenzc . . . . . . . . . . . . . 9
1.22 Zustand und Zustandsgrößen. . . . . . . . . . ... 10
1.23 Intensive, extensive, spezifische und molare Zustandsgrößen 13
1.24 Einfache Systeme. . . . . . 15
1.3 Temperatur .......... 16
1.31 Das thermische Gleichgewicht 16
1.32 Nullter Hauptsatz und Temperatur . 17
1.33 Thermometer und empirische Temperaturen . 19
1.34 Die Temperatur des idealen Gasthermometers. Celsius-Tempe-
ratur . . . . . . . . . . . . . 20
1.35 Die thermische Zustandsgleichung 24
1.4 Der thermodynamische Prozeß . . . . 26
1.41 Prozeß und Zustandsänderung . . 26
1.42 Natürliche Prozesse . . . . . . . 29
1.43 Reversible und irreversible Prozesse 29
1.44 Der 2.Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irrever-
sibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., 32
1.45 Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible Prozesse . 33
1.46 Stationäre Fließprozesse . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
2. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik
2.1 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.11 Mechanische Arbeit und mechanische Energie 38
2.12 Volumenänderungsarbeit ......... 41
2.13 Wellenarbeit . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.14 Arbeit an einem Massenelement eines strömenden Fluids. 49
2.15 Elektrische Arbeit und Arbeit bei nicht einfachen Systemen 52
2.2 Der I.Hauptsatz für geschlossene Systeme . . . . . . 56
2.21 Innere Energie . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.22 Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.23 Der 1. Hauptsatz für ruhende geschlossene Systeme 61
2.24 Der I.Hauptsatz für bewegte geschlossene Systeme 63
2.25 Die kalorische Zustandsgleichung . . . 66
2.3 Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse . . . . . 70
2.31 Technische Arbeit .............. 70
2.32 Der I.Hauptsatz für stationäre Fließprozesse . . . . . . . 71
2.33 Instationäre Prozesse in offenen Systemen. Strömungsenergie 77
2.34 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
2.35 Kreisprozesse mit stationär umlaufendem Fluid. . . . . .. 85
VIII Inhaltsverzeichnis
3. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik
3.1 Entropie und thermodynamische Temperatur . . . . . . . . . .. 91
3.11 Das Prinzip der Irreversibilität, angewendet auf adiabate Systeme 91
3.12 Die empirische Entropie . . . . . . . . . . . . . . 95
3.13 Metrische Entropie und thermodynamische Temperatur 101
3.14 Entropie und 2.Hauptsatz der Thermodynamik 105
3.15 Das T, s-Diagramm . . . . . . . . . . 109
3.2 Entropie, Wärme und Dissipationsenergie 112
3.21 Die Irreversibilität des Wärmeübergangs . 112
3.22 Entropietransport und Entropieerzeugung 118
3.23 Dissipationsenergie . . . . . . . . . .. .. 120
3.24 Die Entropiebilanz für einen stationären Fließprozeß 124
3.3 Die Anwendung des 2.Hauptsatzes auf Energieumwandlungen: Exer-
gie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 128
3.31 Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie . . . . . . . . 128
3.32 Der Einfluß der Umgebung auf die Energieumwandlungen. . . 131
3.33 Exergie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.34 Exergie und Anergie der Wärme und die Umwandlung von Wärme
in Nutzarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.35 Exergie und Anergie eines stationär strömenden Fluids 144
3.36 Die Berechnung von Exergieverlusten . . . . . . . . . 148
3.37 Exergie-Anergie-Flußbilder. Exergetische Wirkungsgrade 151
4. Thermodynamische Eigenschaften reiner Stoffe
4.1 Die thermischEm Zustandsgrößen reiner Stoffe. . 157
4.11 Die p, v, T-Fläche . . . . . . . . . . . . 157
4.12 Das p, T-Diagramm . . . . . . . . . . . 160
4.13 Die thermische Zustandsgleichung für Fluide 161
4.14 Die heterogenen Zustandsgebiete 165
4.2 Das Naßdampfgebiet . . . . . . . . . . . 167
4.21 Nasser Dampf . . . . . . . . . . . 167
4.22 Die Zustandsgrößen im Naßdampfgebiet 170
4.23 Die Gleichung von Clausius-Clapeyron . 175
4.3 Zustandsgleichungen, Tafeln und Diagramme für Fluide .. . 177
4.31 Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie mit Hilfe der ther-
mischen Zustandsgleichung 178
4.32 Tafeln der Zustandsgrößen. . . . . . . . . . 183
4.33 Zustandsdiagramme. . . . . . . . . . . . . 185
4.34 Die Bestimmung isentroper Enthalpiedifferenzen 190
4.4 Der Zustandsbereich des Festkörpers ....... 193
4.41 Ausdehnungs- und Kompressibilitätskoeffizient . 193
'1.42 Die spezifische Wärmekapazität . . . . . . . 195
4.43 Schmelzen und Sublimieren . . . . . . . . . 198
5. Ideale Gase, Gas- und Gas-Dampf-Gemische
5.1 Ideale Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.11 Thermische und kalorische Zustandsgleichung 201
5.12 Die allgemeine Gaskonstante . . . . . . . . 202
5.13 Die spezifische Wärmekapazität . . . . . . 203
5.14 Entropie und isentrope Zustandsänderungen idealer Gase 20G
5.2 Ideale Gasgemische . . . . . . . . . . 208
5.21 Masse- und Molanteile. Partialdrücke 208
5.22 Eigenschaften idealer Gasgemische . 211
5.23 Die Entropie idealer Gasgemische . . 213
5.3 Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft 216
5.31 Allgemeines . . . . . . . . . 21G
Inhaltsverzeichnis IX
5.32 Der Sättigungsdruck des Dampfes 217
5.33 Der Taupunkt . . . . . . . . 219
5.34 Feuchte Luft. . . . . . . . . 220
5.35 Der Wassergehalt feuchter Luft 221
5.36 Absolute und relative Feuchte . 223
5.37 Das spez. Volumen feuchter Luft 225
5.38 Die spez. Enthalpie feuchter Luft 225
5.39 Das h, x-Diagramm für feuchte Luft 228
6. Stationäre Fließprozesse
6.1 Technische Arbeit, Dissipationsenergie und die Zustandsänderung des
strömenden Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.11 Dissipationsenergie in einem stationär strömenden Fluid. . . . 232
6.12 Dissipationsenergie und technische Arbeit. Eindimensionale
Theorie . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.13 Eigenarbeit. Hydraulischer Wirkungsgrad 239
6.2 Strömungsprozesse .. . . . . . . . . 243
6.21 Strömungsprozesse mit Wärmezufuhr 244
6.22 Die Schallgeschwindigkeit . . . . . 245
6.23 Der gerade Verdichtungsstoß . . . . 247
6.24 Adiabate Strömungsprozesse . . . . . 252
6.25 Adiabate Düsen- und Diffusor-Strömung. . . . . . . . . . . 257
6.26 Querschnittsflächen und Massenstromdichte bei isentroper Düsen-
und Diffusor-Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.27 Strömungszustand in einer Laval-Düse bei verändertem Gegen-
druck . . . . . . . . . . . . . . . 265
6.3 Mischungsprozesse . . . . . . . . . . . . 267
6.31 Masse-, Energie- und Entropie-Bilanzen 267
6.32 Isobar-isotherme Mischung idealer Gase 272
6.33 Mischung zweier Ströme feuchter Luft. . . . . . . 275
6.34 Zusatz von Wasser und Wasserdampf zu feuchter Luft 278
6.4 Arbeitsprozesse . . . . . . . . . . . 279
6.41 Adiabate Expansion in Turbinen. ....... . 279
6.42 Adiabate Verdichtung. . . . .. . ...... . 282
6.43 Dissipationsenergie, Arbeitsverlust und Exergieverlust bei der
adiabaten Expansion und Kompression . . . . . 284
6.44 Nichtadiabate Verdichtung ......... . 289
7. Thermodynamik der Kälteerzeugung
7.1 Heizen und ~ühlen als thermodynamische Grundaufgaben 293
7.11 Exergie und Anergie bei der Wärmeübertragung . . 293
7.12 Die Grundaufgabe der Heiztechnik und der Kältetechnik 294
7.13 Reversible und irreversible Heizung. Wärmepumpe 297
7.14 Die Kältemaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
7.2 Einige Verfahren zur Kälteerzeugung . . . . . . . . . . . .. 306
7.21 Die Kaltdampf-Kompressionskältemaschine . . . . . . .. 307
7.22 Prozeßverbesserungen. Mehrstufige Kompressionskälteanlagen 313
7.23 Die Gaskältemaschine mit adiabater Entspannung ..... 318
7.24 Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung ........ 323
8. Verbrennungsprozesse
8.1 Allgemeines 327
8.2 Mengenberechnungen bei vollständiger Verbrennung 328
8.21 Die Verbrennungsgleichungen 328
8.22 Gemische chemisch einheitlicher Stoffe 330
8.23 Feste und flüssige Brennstoffe . . . . 332
8.24 Feuerungskontrolle durch Abgasanalyse 334
x
Inhaltsverzeichnis
8.3 Energetik der Verbrennungsprozesse . . . 336
8.31 Die Anwendung des l.Hauptsatzes . 336
8.32 Der spez. Heizwert des Brennstoffs . 338
8.33 Das h, t-Diagramm der Verbrennung . . . . . 341
8.34 Chemisch einheitliche Stoffe. Reaktionsenthalpie 346
8.4 Die Anwendung des 2.Hauptsatzes auf Verbrennungsprozesse . 349
8.41 Die reversible chemische Reaktion . . . . . . 349
8.42 Absolute Entropien. Nernstsches Wärmetheorem 351
8.43 Die Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . 354
8.44 Die Exergie der Brennstoffe . . . . . . . . . 359
8.45 Der Exergieverlust der adiabaten Verbrennung . 363
9. Thermodynamik der Wärme- und Verbrennungs-Kraltanlagen
9.1 Die Umwandlung chemischer und nuklearer Energie in Nutzarbeit und
elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . 369
9.11 übersicht über die Umwandlungsverfahren . 369
9.12 Wärme- und Verbrennungs-Kraftanlagen 372
9.2 Die einfache Dampfkraftanlage . . . . . . 374
9.21 Der Dampferzeuger. . . . . . . . . 374
9.22 Der Kreisprozeß des Wassers. . . . . . 380
9.23 Der exergetische Gesamtwirkungsgrad und seine Begrenzung
durch die Endnässe . . . . . . . . . 387
9.3 Verbesserungen der einfachen Dampfkraftanlage 390
9.31 Zwischenüberhitzung . . . . . . . . . . 390
9.32 Kombinierte Luft- und Speisewasservorwärmung 394
9.33 Das moderne Dampfkraftwerk 399
9.4 Gaskraftanlagen. . . . . . . . . . . . . . 399
9.41 Die geschlossene Gasturbinenanlage . . . 400
9.42 Die offene Gasturbinenanlage . . . . . . 406
9.43 Verbesserungen des Gasturbinenprozesses 411
10. Anhang: Einheiten. Tabellen
10.1 Die Stoffmenge und ihre Maße 413
10.11 Masse, Gewicht und Gewichtskraft 413
10.12 Teilchenzahl und Substanzmenge 416
10.13 Normzustand und Normvolumen 418
10.2 Einheiten ..................... 420
10.21 Die Einheiten des Internationalen Einheitensystems . . .. 420
10.22 Einheiten anderer Einheitensysteme. Umrechnungsfaktoren. 423
10.3 Tabellen. . 424
Sachverzeichnis . 433