Thermodynamik für Ingenieure: Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium

371 Pages·2006·7.329 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Peter Jany, Prof. Dr.-Ing. Gerd Thieleke, Eugen Sapper (auth.), Prof. Dr.-Ing. Klaus Langeheinecke (eds.)

Klaus Langeheinecke (Hrsg.)
Peter Jany
Gerd Thieleke
Thermodynamik
für Ingenieure
Klaus Langeheinecke (Hrsg.)
Peter Jany
Gerd Thieleke
Thermodynamik
für Ingenieure
Ein Lehr- und Arbeitsbuch
für das Studium
6., vollständig überarbeitete
und erweiterte Auflage
Mit 261 Abbildungen und 56 Tabellen
Viewegs Fachbücher der Technik
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Der Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Klaus Langeheinecke, Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten/Württ.
Die Autoren
Prof. Dr.-Ing. Klaus Langeheinecke, Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten/Württ.
Prof. Dr.-Ing. Peter Jany, Hochschule Ravensburg-Weingarten; Weingarten/Württ.
Prof. Dr.-Ing. Gerd Thieleke, Hochschule Ravensburg-Weingarten/Württ.
ehem. Autor: Eugen Sapper†,Fachhochschule Konstanz, Konstanz
1. Auflage 1993
2.,vollständig überarbeitete Auflage 1999
3.,durchgesehene Auflage Mai 2001
4., überarbeiteteund erweiterte Auflage Juni 2003
5., verbesserte Auflage Oktober 2004
6., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mai 2006
Alle Rechte vorbehalten
©Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006
Lektorat: Thomas Zipsner / Imke Zander
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cherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
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Technische Redaktion: Andreas Meißner, Wiesbaden
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN-10 3-8348-0103-8
ISBN-13 978-3-8348-0103-6
V
Vorwort
Die Technische Thermodynamik gehört zu den Grundlagen des Maschinenbaues, der Verfahrenstechnik
und verwandter Ingenieurwissenschaften. Für Studierende an Fachhochschulen, Hochschulen und Uni-
versitäten, ferner an Höheren Technischen Lehranstalten, Technikerschulen und Berufsakademien im
gesamten deutschsprachigen Raum ist dieses Buch geschrieben,(cid:2)zur Nutzung in und neben den Lehrver-
anstaltungen. Der Umfang orientiert sich an dem, was an(cid:2)Grundlagen für weiterführende Lehrveranstal-
tungen erforderlich ist. Zum Selbststudium in der(cid:2)Weiterbildung und beim Wiedereinstieg empfiehlt sich
das Lehrbuch durch seinen Aufbau auch für(cid:2)bereits Berufstätige.
Ausführliche Texte, zahlreiche bildliche Darstellungen, durchgerechnete Beispiele, viele Fragen und(cid:2)
Übungsaufgaben mit Lösungen zur aktiven Beschäftigung verdeutlichen die Denkweisen, Methoden(cid:2)und
Werkzeuge der Thermodynamik. Vor allem wird die Fachsprache vermittelt, die sich oft als(cid:2)Hindernis
auf dem Weg zum Verstehen der Thermodynamik erwiesen hat, aber dafür und zum(cid:2)Lesen von Fach-
literatur unerlässlich ist. In umfangreichen Tabellen sind notwendige Daten(cid:2)zusammengestellt, ergänzt
durch ein MOLLIER-h,s-Diagramm für Wasserdampf und ein MOLLIER-p,h-Diagramm für R134a.
Ein ausführliches Sachwortverzeichnis leitet schnell zu den gesuchten Textstellen und gibt die Sachworte
auch in englischer Sprache wieder. Auf einer CD-ROM findet der Leser das entsprechende englisch-
deutsche Sachwortverzeichnis, die Lösungen zu den Fragen und Übungen, Rechenprogramme zu Wär-
meübertragung, Gas-Dampf-Gemischen und Verbrennung sowie für Stoffwerte, ferner eine als Formel-
sammlung und zur(cid:2) Wiederholung zu verwendende Kurzfassung des Lehrtextes THERMODYNAMIK
MEMORY und ein(cid:2)umfangreiches alphabetisches, interaktiv nutzbares THERMODYNAMIK GLOSSAR mit
über 700(cid:2)Stichwörtern.
Die Lehre der Thermodynamik war bislang weitgehend durch die Felder ,,Geschlossenes System“,(cid:2)„Idea-
les Gas“ und ,,Reversible Prozesse“ geprägt. Technische Prozesse laufen jedoch im allgemeinen in offe-
nen Systemen ab, über deren Grenzen Stoff- und Energieströme übertragen werden(cid:2)und in denen häufig
Phasenwechsel und nicht vernachlässigbare Dissipationsphänomene auftreten.(cid:2)Daher wird das offene
System so früh wie möglich vorgestellt, mit Stromgrößen und Bilanzansätzen(cid:2)gearbeitet. Die verschiede-
nen Energie- und Leistungsarten werden begrifflich klar unterschieden.(cid:2)Dabei wird auf die Wärme, ihre
unterschiedlichen Transportmechanismen und ihre Freisetzung(cid:2)durch Verbrennung besonders eingegan-
gen. Wegen oft unzureichender Vorkenntnisse in der Physik(cid:2)werden Phasenwechsel und das gesamte
Zustandsfeld bereits am Anfang dargestellt. Die dazu(cid:2)notwendigen Gedankenexperimente bauen auf
Alltagsbeobachtungen auf. Dabei wird in den(cid:2)Umgang mit Zustandsdiagrammen und Dampftafeln einge-
führt und dem Modell „Ideale Gase“ der(cid:2)richtige Platz angewiesen.
Das Buch geht im Kern zurück auf das in langer Lehrtätigkeit entwickelte Vorlesungsmanuskript(cid:2)des
Herausgebers, das im Rahmen des CAT-Projektes seine erste gedruckte Form fand. Die(cid:2)Professoren
W. Schnabel, Dr. G. Kurz und Dr. G. Kürz sowie Ing. (grad.) P. Stotz haben damals(cid:2)teils schreibend, teils
erprobend und beratend mitgewirkt. Für das Buchmanuskript konnten(cid:2)zusätzlich Prof. Dr. Eugen Sapper
(Konstanz), der jedoch noch während der Bearbeitung verstarb,(cid:2)und Prof. Dr. Peter Jany (Weingar-
ten/Württ.) sowie Dipl.-Ing. Heinz Millner (Dornbirn/Vorarlberg) gewonnen werden, weiterhin für die
sechste Auflage Prof. Dr.-Ing. Gerd Thieleke (Weingarten/Württ.). Die sorgfältige Ausführung der Zeich-
nungen übernahm Dipl.-Ing. (FH) Wolf-Dieter Schnell (Langenargen/Bodensee) und die digitale Verar-
beitung des Glossars Martin Volckart (Baienfurt).
Während das Lehrbuch für die zweite Auflage gründlich überarbeitet wurde, blieb es bei der dritten bis
fünften Auflage bei wenigen Änderungen. Erst für die vorliegende sechste, wiederum völlig durchgese-
hene Auflage kamen weitere Ergänzungen hinzu. Hinweise von Fachkollegen und Studierenden sind
jeweils dankbar verwertet worden. Herausgeber, Mitautoren und Verlag danken allen Beteiligten, die
zum Gelingen der sechs Auflagen des Lehrbuches beigetragen haben. Ein besonderer Dank gilt den
Familien, die wegen des Buches so oft auf sie verzichten mussten.
Weingarten/Württ. und Wiesbaden Herausgeber und Verlag
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort .............................................................................................................................. V
Verzeichnis der Beispiele .................................................................................................. X
Formelzeichen .................................................................................................................... XI
1 Einführung ................................................................................................................. 1
1.1 Aufgabe und Geschichte .................................................................................. 1
1.2 Zur Lehrveranstaltung ...................................................................................... 3
1.3 Physikalische Größen und Größengleichungen ............................................... 3
1.4 Fragen und Übungen ........................................................................................ 7
2 Die Systeme und ihre Beschreibung ........................................................................ 8
2.1 Systeme und Energien ...................................................................................... 8
2.2 Gleichgewicht und Beharrungszustand ............................................................ 13
2.3 Stoff und Menge .............................................................................................. 16
2.4 Zustand, Zustandsgrößen und Zustandsdiagramme ......................................... 19
2.5 Druck, Temperatur, Energie ............................................................................. 21
2.6 Zustandsänderungen, Prozesse ........................................................................ 25
2.7 Fragen und Übungen ........................................................................................ 29
3 Stoffeigenschaften ..................................................................................................... 32
3.1 Thermische Dehnung ....................................................................................... 32
3.2 Verdampfen und Verflüssigen ......................................................................... 33
3.3 Kritischer Punkt ............................................................................................... 37
3.4 Nassdampf ....................................................................................................... 38
3.5 Erstarren, Sublimieren, Tripelzustände ............................................................ 44
3.6 Dämpfe und Gase ............................................................................................. 50
3.7 Stoffgemische .................................................................................................. 55
3.8 Fragen und Übungen ........................................................................................ 57
4 Energien ..................................................................................................................... 59
4.1 Energiegrößen und Erster Hauptsatz ................................................................ 59
4.2 Arbeit und Arbeitsleistung ............................................................................... 64
4.3 Wärme, Wärmestrom und Innere Energie ....................................................... 69
4.4 Enthalpie und Enthalpiestrom .......................................................................... 70
4.5 Energieumwandlungen mit Kreisprozessen ..................................................... 74
4.6 Strömungsprozesse .......................................................................................... 80
4.7 Fragen und Übungen ........................................................................................ 82
5 Prozesse ...................................................................................................................... 84
5.1 Aussagen über Prozesse, Zweiter Hauptsatz..................................................... 84
5.2 Entropie und Entropiestrom ............................................................................. 88
5.3 Zustandsdiagramme ......................................................................................... 91
5.4 Energieumwandlung ........................................................................................ 98
5.5 Exergie und Anergie ........................................................................................ 105
5.6 Fragen und Übungen ........................................................................................ 111
VIII Inhaltsverzeichnis
6 Zustandsgleichungen Idealer Gase .......................................................................... 116
6.1 Gasgleichung, Gaskonstanten, Normmolvolumen ........................................... 116
6.2 Kalorische Zustandsgleichungen ..................................................................... 119
6.3 Entropie und Entropiediagramme .................................................................... 123
6.4 Wärmekapazitäten und Isentropenexponent .................................................... 127
6.5 Fragen und Übungen ........................................................................................ 131
7 Zustandsänderungen Idealer Gase .......................................................................... 134
7.1 Allgemeine und spezielle Zustandsänderungen ............................................... 134
7.2 Isobare Zustandsänderung ................................................................................ 135
7.3 Isochore Zustandsänderung .............................................................................. 138
7.4 Isotherme Zustandsänderung ........................................................................... 139
7.5 Isentrope Zustandsänderung ............................................................................ 142
7.6 Polytrope Zustandsänderungen ........................................................................ 147
7.7 Fragen und Übungen ........................................................................................ 151
8 Ideale Gas- und Gas-Dampf-Gemische ................................................................... 155
8.1 Anteile und Teilgrößen von Gasgemischen, DALTONsches Gesetz .............. 155
8.2 Gasgleichung, Gaskonstanten und Molmassen von Gasgemischen ................. 157
8.3 Kalorische Zustandsgrößen von Gasgemischen ............................................... 159
8.4 Gas-Dampf-Gemische, Feuchte Luft ............................................................... 161
8.5 Zustandsgrößen und Zustandsdiagramme feuchter Luft .................................. 163
8.6 Luftbehandlungsanlagen .................................................................................. 169
8.7 Mischen, Erwärmen und Kühlen feuchter Luft ................................................ 170
8.8 Einsprühen von Wasser in feuchte Luft ........................................................... 175
8.9 Verdunstung und Taubildung ........................................................................... 178
8.10 Druckluft .......................................................................................................... 181
8.11 Übungen ........................................................................................................... 182
9 Energieumwandlung, thermische Maschinen ......................................................... 185
9.1 Vergleichsprozesse ........................................................................................... 185
9.2 Dampfkraftmaschinen ...................................................................................... 186
9.3 Dampfkältemaschinen als Kühlmaschinen und Wärmepumpen....................... 197
9.4 Verbrennungsmotoren ...................................................................................... 202
9.5 Gasturbinen ...................................................................................................... 205
9.6 Gaskältemaschinen ........................................................................................... 209
9.7 Regenerative Kreisprozesse ............................................................................. 213
9.8 Brennstoffzellen................................................................................................ 217
9.9 Verbundkraftwerke .......................................................................................... 229
9.10 Fragen und Übungen ........................................................................................ 231
10 Wärmeübertragung .................................................................................................. 237
10.1 Wärmeleitung ................................................................................................... 237
10.2 Stationäre Wärmeleitung .................................................................................. 240
10.3 Instationäre Wärmeleitung ............................................................................... 243
10.4 Numerische Lösungsmethoden ........................................................................ 247
10.5 Konvektiver Wärmeübergang .......................................................................... 251
10.6 Wärmeübergang bei erzwungener Konvektion ................................................ 255
10.7 Wärmeübergang bei freier Konvektion ............................................................ 257
10.8 Wärmeübergang bei Phasenänderung .............................................................. 260
Inhaltsverzeichnis IX
10.9 Wärmestrahlung ............................................................................................... 263
10.10 Wärmestrahlung zwischen festen Oberflächen ................................................ 268
10.11 Wärmedurchgang ............................................................................................. 270
10.12 Wärmeaustausch im Gleichstrom und Gegenstrom ......................................... 272
10.13 Wärmedämmung .............................................................................................. 274
10.14 Fragen und Übungen ........................................................................................ 278
11 Verbrennung .............................................................................................................. 281
11.1 Der Verbrennungsprozess ................................................................................ 281
11.2 Brennstoffe, Brennluft und Grundreaktionen .................................................. 282
11.3 Sauerstoffbedarf, Luftbedarf, Verbrennungsgasanfall ..................................... 284
11.4 Brennwert und Heizwert .................................................................................. 292
11.5 Übungen ........................................................................................................... 297
Tabellen (mit Griffstreifen) ................................................................................................ 299
T-1 Einheiten und Einheitenumrechnung ............................................................... 299
T-1a Universelle Konstanten und Normzustand ...................................................... 300
T-2 Angelsächsische Einheiten ............................................................................... 300
T-3 Stoffwerte Idealer Gase .................................................................................... 301
T-4 Mittlere molare Wärmekapazitäten .................................................................. 302
T-5 Sättigungsdampftafel für Wasser (Temperaturtafel) ........................................ 303
T-6 Sättigungsdampftafel für Wasser (Drucktafel) ................................................ 305
T-6a Zustandsgrößen von ungesättigter Wasserflüssigkeit und überhitztem
Wasserdampf .................................................................................................... 307
T-7 Sättigungsdampftafel für Ammoniak ............................................................... 309
T-8 Sättigungsdampftafel für R134a ...................................................................... 310
T-8a MOLLIER-Druck-Enthalpie-Diagramm für R134a ........................................... 311
T-9 Stoffwerte gesättigter feuchter Luft ................................................................. 313
T-10 Thermophysikalische Stoffgrößen ................................................................... 314
T-11 Zahlenwerte der GAUSSschen Fehlerfunktion .................................................. 317
T-12 Emissionsgrade technischer Oberflächen ........................................................ 317
T-13 Feste Brennstoffe ............................................................................................. 318
T-14 Flüssige Brennstoffe I ...................................................................................... 318
T-15 Flüssige Brennstoffe II ..................................................................................... 318
T-16 Gasförmige Brennstoffe I ................................................................................ 318
T-17 Gasförmige Brennstoffe II ............................................................................... 319
Literatur............................................................................................................................. 320
Sachwortverzeichnis (deutsch/englisch)............................................................................ 323
Hinweise zur CD-ROM ..................................................................................................... 355
CD-ROM...........................................................................................................Umschlagtasche
LV-BERECHNUNGSSOFTWARE
INSTALLATION
ENGLISCH-DEUTSCHESSACHWORTVERZEICHNIS
LÖSUNGEN ZU FRAGEN UND ÜBUNGEN
THERMODYNAMIK MEMORY
THERMODYNAMIK GLOSSAR
MOLLIER-Enthalpie-Entropie-Diagramm für Wasserdampf .................................. Beilage
X
Verzeichnis der Beispiele
Beispiel Seite Stichwort Beispiel Seite Stichwort
1.1 5 Größengleichung 7.1 135 Luftverdichtung
1.2 6 Berechnungsmuster 7.2 137 Isobare Zustandsänderung
7.3 139 Isochore Zustandsänderung
2.1 13 Systemabgrenzung 7.4 141 Isotherme Zustandsänderung
2.2 17 Volumen 7.5 145 Druckluftanlage
2.3 18 Massenstrom 7.6 150 Druckluftmotor
2.4 23 Druck 7.7 151 Versuchsauswertung
2.5 24 Temperatur
8.1 158 Gasgemisch
2.6 28 Quasistatische Zustandsänderung
8.2 160 Gasgemisch
2.7 29 Nichtstatische Zustandsänderung
8.3 165 Diagramm für feuchte Luft
8.4 172 Luftmischung
3.1 33 Thermische Dehnung
8.5 173 Lufterwärmung
3.2 42 Dampftafel
8.6 175 Luftkühlung
3.3 42 Nassdampf
8.7 177 Randmaßstab
3.4 43 Verdampfung
8.8 177 Klimaanlage
3.5 50 Gasgleichung
8.9 181 Druckluft
3.6 51 Gasmasse
3.7 51 Druckänderung
9.1 195 Industriedampfanlage
3.8 56 Stoffgemisch
9.2 200 Gewerbekälteanlage
9.3 204 Wirkungsgrade von
4.1 73 Wärmeaustauscher
Verbrennungsmotoren
4.2 79 Dampfkraftwerk
9.4 207 Wirkungsgrad einer
4.3 79 Dampferzeugung
Gasturbinenanlage
4.4 81 Rohrströmung
9.5 215 STIRLING-Motor
5.1 91 Fanno-Linien
9.6 219 Chemische Reaktion
5.2 93 Dampfkraftmaschine
9.7 231 Wirkungsgrad von
5.2a 95 Dampfkraftprozess
Verbundkraftwerken
5.2b 96 Kältemittelflasche
5.3 104 Thermoelement 10.1 245 Aluminiumkugel
5.4 110 Exergetischer Wirkungsgrad 10.2 247 Halbunendlicher Körper
5.5 110 Exergieverlust 10.3 263 Wärmeübergang am Rohr
5.6 110 Exergieverlust 10.4 269 Wärmestrahlung
6.1 118 Gasvolumen 10.5 277 Wärmedurchgang
6.2 118 Gasdichte
6.3 130 Wärmekapazität 11.1 287 Kohleverbrennung
11.2 291 Erdgasverbrennung
11.3 296 Verbrennungstemperatur
Formelzeichen XI
Formelzeichen
In den in eckigen Klammern angegebenen Abschnitten werden die Größen erstmals erwähnt oder ausführlich behandelt.
Größen für die Thermodynamik Δhs (spez.) Schmelz-/ Erstarrungsenthalpie
[4.4]
Lateinische Zeichen Δh (spez.) Sublimations-/ Desublima-
sub
tionsenthalpie [4.4]
a Massenanteil Asche [11]
ΔRG molare Reaktions-GIBBS-Enthalpie [9.8]
A Fläche
ΔRH molare Reaktionsenthalpie [9.8]
b Breite
h Massenanteil Wasserstoff [11]
B Anergie [5.5]
H molarer Heizwert [9.8]
b spezifische Anergie [5.5] u
H Heizwert [11.4]
B molare Anergie [5.5] u
m H molarer Heizwert [11.4]
B(cid:5) Anergiestrom [5.5] um
H volumetrischer Heizwert [11.4]
uv
B Anergie der Enthalpie [5.5]
H H Brennwert [11.4]
o
BQ Anergie der Wärme[5.5] H molarer Brennwert [11.4]
om
c Geschwindigkeit [2.4]
H volumetrischer Brennwert [11.4]
ov
C Wärmekapazität [6.4]
I elektrischeStromstärke [9.8]
c spez. isobare Wärmekapazität [6.4]
p I Massenstromdichte,
c spez. isochore Wärmekapazität [6.4]
v Massengeschwindigkeit [2.4]
c spez. polytrope Wärmekapazität [6.4]
n J Streuenergie [4.1]
C molare isobare Wärmekapazität [6.4]
mp j spezifische Streuenergie [4.1]
C molare isochore Wärmekapazität [6.4]
mv J molare Streuenergie [4.1]
Cρp volumetr. isobare Wärmekapazität [6.4] J(cid:5)m Streuenergiestrom [4.1]
Cρv volumetr. isochore Wärmekapazität [6.4]
l,L Länge
C mittlere Wärmekapazität [6.4]
l Luftbedarf (auf Brennstoffmasse
c Massenanteil Kohlenstoff [11]
bezogen) [11.3]
c spezif. Wärmekapazität v. Flüssigk. [4.4]
fl l Mindestluftbedarf (auf Brennstoffmasse
c spezif. Wärmekapazität v. Wasser [4.4] min
w bezogen) [11.3]
d,D Durchmesser
l molarer Luftbedarf (auf Brennstoffmasse
E kinetische Energie [4.1 ] m
kin bezogen) [11.3]
E potentielle Energie [4.1]
pot (l ) molarer Mindestluftbedarf (auf Brenn-
E Exergie [5.5] mmin
stoffmasse bezogen) [11.3]
e spezifische Exergie [5.5]
L molarer Luftbedarf (auf Brennstoff-
E molare Exergie [5.5]
m Stoffmenge bezogen) [11.3]
E(cid:5) Exergiestrom [5.5] L molarer Mindestluftbedarf (auf Brenn-
min
EH Exergie der Enthalpie [5.5] stoff-Stoffmenge bezogen) [11.3]
EQ Exergie der Wärme [5.5] m Masse [2.4]
EU Exergie der Inneren Energie [5.5] m(cid:5) Massenstrom [2.4]
Ev Exergieverlust [5.5] M Molmasse [2.4]
F Faraday-Konstante [9.8] M Gemisch-Molmasse [8.2]
g
F Kraft [4.2] n Massenanteil Stickstoff [11]
G molare GIBBS-Enthalpie [9.8] n Stoffmenge [2.4]
g Fallbeschleunigung [4.1] n(cid:5) Stoffmengenstrom [2.4]
H Enthalpie [4.4] n Polytropenexponent [7.6]
h spezifische Enthalpie [4.4] NA AVOGADRO-Konstante [2.4]
Hm molare Enthalpie [4.4] o Massenanteil Sauerstoff [11]
H molare Enthalpie [9.8] o Mindestsauerstoffbedarf (auf
min
H(cid:5) Enthalpiestrom [4.4] Brennstoffmasse bezogen) [11.3]
Δh (spez.) Verdampfungs-/ Verflüssigungs- (o ) molarer Mindestsauerstoffbedarf (auf
d mmin
enthalpie [4.4] Brennstoffmasse bezogen) [11.3]