Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen

681 Pages·2009·4.46 MB·german

by  Hans Dieter Baehr

Springer-Lehrbuch
Hans Dieter Baehr • Stephan Kabelac
Thermodynamik
Grundlagen und technische Anwendungen
14. aktualisierte Auflage
ABC
Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Hans Dieter Baehr
emer. o. Professor für Thermodynamik
an der Universität Hannover
Professor Dr.-Ing. habil. Stephan Kabelac
Institut für Thermodynamik
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Holstenhofweg 85
22043 Hamburg
[email protected]
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-00555-8 e-ISBN 978-3-642-00556-5
DOI 10.1007/978-3-642-00556-5
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Vorwort zur vierzehnten Auflage
Gedanken sind nicht stets parat,
man schreibt auch, wenn man keine hat.
Wilhelm Busch (1832-1908)
Die Thermodynamik geh¨ort zu den Grundlagenwissenschaften der Technik.
Der Energietechnik und der Verfahrenstechnik (Chemietechnik) bietet die
Thermodynamik eine allgemeine Energielehre sowie eine Materialtheorie der
zur Energiewandlung eingesetzten Fluide und der durch die Verfahrenstech-
nik umzuwandelnden Stoffe.
Die Thermodynamik entstand im 19. Jahrhundert aus technischen Fra-
gestellungen; die Technik ist auch heute ihr wichtigstes Anwendungsgebiet.
Daher darf die thermodynamische Analyse energie- und verfahrenstechni-
scher Anlagen in einem Lehrbuch der Thermodynamik nicht fehlen. Unser
Lehrbuch bietet in nur einem Band dem Studenten und dem in der Pra-
xis t¨atigen Ingenieur eine umfassende, klar und verst¨andlich geschriebene
Darstellung der Thermodynamik unter ausgewogener Beru¨cksichtigung ihrer
Aspekte Energielehre und Materialtheorie sowie ihrer Anwendungen in der
Energie- und Verfahrenstechnik.
In den drei ersten Kapiteln werden grundlegende Begriffe eingefu¨hrt und
die beiden Haupts¨atze behandelt, die in den Bilanzgleichungen fu¨r Energie,
Entropie und Exergie ihren quantitativen Ausdruck finden. Unsere Darstel-
lung der Grundlagen unterscheidet sich von manchen anderen Lehrbu¨chern
durch die Betonung des Phasenbegriffs, eine sorgf¨altige Einfu¨hrung der ther-
modynamischenTemperaturunddiestrikteUnterscheidungvonProzessund
Zustands¨anderung. Aufgrund unserer p¨adagogischen Erfahrungen haben wir
darauf verzichtet, Energie und Entropie aus Erfahrungss¨atzen umst¨andlich
herzuleiten. Stattdessen werden die beiden Haupts¨atze durch Postulate for-
muliert, die unmittelbar zu den Gr¨oßen Energie und Entropie und deren
Eigenschaften fu¨hren. Das Kapitel u¨ber den zweiten Hauptsatz enth¨alt auch
dessenAussagenzurTheoriederthermodynamischenEigenschaftenderMa-
teriebiszudenFundamentalgleichungenunddenGleichgewichts-undStabi-
lit¨atsbedingungen. Diefu¨r Energieumwandlungen wichtigen Folgerungen aus
demzweitenHauptsatzwerdenmitdenindiesemBuchgenaudefiniertenBe-
griffen Exergie und Anergie anschaulich formuliert. Dies bildet die Basis der
exergetischen Analyse energietechnischer Systeme in den sp¨ateren Kapiteln
mit den technischen Anwendungen der Thermodynamik.
VI Vorwort zur vierzehnten Auflage
DiethermodynamischenEigenschaftenreinerFluidesindGegenstanddes
vierten Kapitels. Verschiedene Formen ihrer thermischen Zustandsgleichung
unddiePhasengleichgewichtewerdenausfu¨hrlichbehandeltundinDiagram-
men veranschaulicht. Wir erl¨autern zun¨achst zwei einfache Stoffmodelle: das
idealeGasunddasinkompressibleFluid.SchließlichgehenwiraufdieBedeu-
tung der Fundamentalgleichung fu¨r die umfassende und thermodynamisch
konsistente Darstellung aller thermodynamischer Zustandsgr¨oßen eines rei-
nen Stoffes ein, fu¨r den zahlreiche und genaue Messwerte vorliegen.
Imumfangreichenfu¨nftenKapitelu¨berGemischeundchemischeReaktio-
nen findet der Leser die fu¨r Gemische grundlegenden Konzepte, n¨amlich die
partiellen molaren Zustandsgr¨oßen, die chemischen Potentiale der Gemisch-
komponenten und die Bedingungen des Phasengleichgewichts. Dann werden
die idealen Gasgemische, die Gas-Dampf-Gemische am Beispiel der feuch-
ten Luft und die idealen L¨osungen behandelt. Bei den realen Gemischen
haben wir die von G.N.Lewis eingefu¨hrten Gr¨oßen Fugazit¨ats- und Akti-
vit¨atskoeffizientverwendet,aberauchgezeigt,dassmanmitihrerHilfenurei-
ne,wennauchformalsehrgeschickteUmformulierungdesRealanteilsdesche-
mischen Potentials erh¨alt. Die Berechnung des Verdampfungsgleichgewichts
nach verschiedenen Methoden wird eingehend erl¨autert. Bei der Behandlung
der chemischen Reaktionen sind wir von der Erhaltung der Elemente ausge-
gangen,dieihrenquantitativenAusdruckindenReaktionsgleichungenfindet.
Um die beiden Haupts¨atze auf reagierende Gemische anwenden zu k¨onnen,
mu¨ssen die Enthalpien und Entropien der Reaktionsteilnehmer aufeinander
abgestimmt werden. Die L¨osung dieses Problems durch die Reaktionsenthal-
pien und ihre Ru¨ckfu¨hrung auf die Standard-Bildungsenthalpien der Reak-
tionsteilnehmer sowie die Entropieabstimmung durch den dritten Hauptsatz
der Thermodynamik werden ausfu¨hrlich dargestellt. Schließlich gehen wir
auf die Bedingungen des Reaktionsgleichgewichts und die Berechnung der
Gleichgewichtszusammensetzung ein, die dank der Entwicklung der Compu-
tertechnik kaum noch gr¨oßere rechentechnische Probleme aufwirft.
Im sechsten Kapitel werden die station¨aren Fließprozesse behandelt, die
in vielen Maschinen und Apparaten energie- und verfahrenstechnischer An-
lagen auftreten. Dabei beschr¨anken wir uns auf die eindimensionale Theorie,
die mit den Querschnittsmittelwerten der Zustandsgr¨oßen arbeitet. Mit der
Dissipationsenergie lassen sich die Aussagen des zweiten Hauptsatzes in die
Energiebilanzgleichung integrieren. Die thermodynamischen Aussagen u¨ber
Str¨omungs- und Arbeitsprozesse werden auf adiabate Du¨sen und Diffusoren
sowieaufadiabateTurbinenundVerdichterangewendet.NachdenEnergiebi-
lanzen von W¨armeu¨bertragern und der Berechnung des Temperaturverlaufs
der beiden Fluidstr¨ome behandeln wir verschiedene Stofftrennprozesse wie
das Trocknen, Verdampfen, Destillieren, Rektifizieren und Absorbieren. Da-
bei wollen wir dem Leser vor allem das Verst¨andnis fu¨r die energetischen
Prinzipien dieser Prozesse vermitteln. Die Dimensionierung der dazu einge-
Vorwort zur vierzehnten Auflage VII
setzten Apparatebleibt den Lehrbu¨chernu¨berthermischeVerfahrenstechnik
vorbehalten.
Das siebente Kapitel ist den Verbrennungsprozessen und den Verbren-
nungskraftanlagen gewidmet. Bei der sogenannten Verbrennungsrechnung
werden die Massen (oder Stoffmengen) des Brennstoffs, der (auch feuch-
ten) Verbrennungsluft und der Verbrennungsprodukte durch dimensionslo-
se Gleichungen verknu¨pft; sie sind als bequem zu handhabende Arbeitsmit-
tel in zwei Tabellen zusammengefaßt. Die Energetik der Verbrennungspro-
zesse wird ausfu¨hrlich behandelt unter Erl¨auterung der Konzepte Heizwert,
Brennwert,AbgasverlustundadiabateVerbrennungstemperatur.DieBedeu-
tungderTeilkondensation desimAbgasenthaltenen Wasserdampfsundihre
Nutzung in Brennwertkesseln haben wir besonders hervorgehoben. Die Aus-
sagen des zweiten Hauptsatzes werden mit der Einfu¨hrung der Brennstoff-
ExergieundderBerechnungdesExergieverlustesbeideradiabatenVerbren-
nung beru¨cksichtigt. Die Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschinen,
zu denen die Gasturbinen, die Verbrennungsmotoren und die Brennstoff-
zellen geh¨oren, wird nicht nur an Hand einfacher Modelle entwickelt. Bei
der Bewertung von Brennstoffzellen weisen wir auch darauf hin, dass stets
Brennstoffzellen-Systeme untersucht werden mu¨ssen, die auch die Wasser-
stoffherstellung umfassen.
Das achte Kapitel besch¨aftigt sich mit W¨armekraftanlagen, wie sie im
großen Maßstab in Kraftwerken zur Stromerzeugung zum Einsatz kommen.
Dieses gru¨ndlich u¨berarbeitete Kapitel fu¨hrt zun¨achst in die Energiebedarfs-
struktur von Deutschland ein, es werden die Prim¨arenergietr¨ager, die Um-
wandlungspfade von der Prim¨arenergie zur Nutzenergie sowie die Struktur
des Nutzenergiebedarfs vorgestellt. Ein Energieflussbild fu¨r die Bundesrepu-
blik Deutschland wurde neu aufgenommen. Da die thermischen Kraftwerke
nach wie vor den Großteil der elektrischen Energieversorgung bereitstellen,
wird der ihnen zugrundeliegende Dampfkreisprozess ausfu¨hrlich behandelt.
DessenenergetischeundinsbesondereexergetischeAnalysebetriffteinKern-
gebietderTechnischenThermodynamik,diehierausrekrutiertenProzessver-
besserungen,wiez.B.dieZwischenu¨berhitzungwerden,ausfu¨hrlicherl¨autert.
Auf die zunehmend wichtigen Kombi-Kraftwerke, bei denen ein einfacher
Dampfkreisprozess einer Gasturbinenanlage nachgeschaltet ist, und auf die
Kernkraftwerkegehenwirebenfallsein.DasKapitelendetmitBerechnungen
der CO -Emission bei der Stromerzeugung.
2
DasneunteKapitelfu¨hrtindiethermodynamischenGrundlagendesHei-
zens und Ku¨hlens ein. Die Bereitstellung von Niedertemperatur-W¨arme und
vonK¨alteistfu¨rca.40%desPrim¨arenergiebedarfsverantwortlich.Eswerden
die konventionellen Heizsysteme und die W¨armepumpen thermodynamisch
analysiert und durch Ausfu¨hrungen zur Kraft-W¨armekopplung erg¨anzt, wie
sie z. B. in Blockheizkraftwerken realisiert wird. Abschließend werden die
K¨alteprozessebehandelt,undzwarderKaltdampf-Kompressionsk¨alteprozeß,
VIII Vorwort zur vierzehnten Auflage
wie auch die Prozesse mit thermischer Verdichtung durch Absorption des
K¨altemittels in einem L¨osungsmittel.
Das zehnte Kapitel schließt dieses Lehrbuch durch ausfu¨hrliche Tabellen
ab. Es werden Tabellen zu den Einheiten und auch umfangreiche Stoffdaten-
Tabellen zusammengestellt; fu¨r die W¨armekapazit¨at, die Enthalpie und die
Entropie von Luft und von Verbrennungsgasen im idealen Gaszustand wer-
den Berechnungsgleichungen abgegeben. Hervorzuheben ist weiterhin das
ausfu¨hrliche Stichwort-Verzeichnis sowie die aktuellen, umfassenden Litera-
turangaben.
Wir hoffen, dass dieses Lehrbuch der Thermodynamik eine gelunge-
ne Kombination aus gut verst¨andlicher Einfu¨hrung, aus wissenschaftlicher
Pr¨azision und aus Vollst¨andigkeit bietet, die es fu¨r Studenten ebenso wert-
voll macht wie fu¨r den berufst¨atigen Ingenieur.
Herrn Dipl.-Ing. V. Grabenstein und Herrn Dipl.-Ing. M. Dragon danken
wir fu¨r ihre geduldige Unterstu¨tzung bei der Erstellung der Druckvorlage.
Bochum und Hamburg, H.D. Baehr
im Fru¨hjahr 2009 S.Kabelac
Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeine Grundlagen................................... 1
1.1 Thermodynamik ....................................... 1
1.1.1 Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik 1
1.1.2 Was ist Thermodynamik? ......................... 9
1.2 System und Zustand .................................... 11
1.2.1 System und Systemgrenzen ........................ 12
1.2.2 Zustand und Zustandsgr¨oßen ...................... 13
1.2.3 Extensive, intensive, spezifische
und molare Zustandsgr¨oßen, Dichten................ 16
1.2.4 Fluide Phasen. Zustandsgleichungen ................ 20
1.3 Prozesse............................................... 21
1.3.1 Prozeß und Zustands¨anderung ..................... 21
1.3.2 Reversible und irreversible Prozesse................. 23
1.3.3 Der 2.Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip
der Irreversibilit¨at ................................ 26
1.3.4 Quasistatische Zustands¨anderungen
und irreversible Prozesse .......................... 27
1.3.5 Station¨are Prozesse............................... 29
1.4 Temperatur............................................ 30
1.4.1 Thermisches Gleichgewicht und Temperatur ......... 30
1.4.2 Thermometer und empirische Temperatur ........... 33
1.4.3 Die Temperatur des idealen Gasthermometers........ 35
1.4.4 Celsius-Temperatur. Internationale Praktische
Temperaturskala ................................. 39
1.4.5 Die thermische Zustandsgleichung idealer Gase....... 41
2 Der 1.Hauptsatz der Thermodynamik .................... 43
2.1 Der 1.Hauptsatz fu¨r geschlossene Systeme ................. 43
2.1.1 Mechanische Energien............................. 43
2.1.2 Der 1.Hauptsatz. Innere Energie ................... 47
2.1.3 Die kalorische Zustandsgleichung fluider Phasen ...... 51
2.1.4 Die Energiebilanzgleichung ........................ 54
2.2 Arbeit und W¨arme ..................................... 56
2.2.1 Mechanische Arbeit und Leistung .................. 56
2.2.2 Volumen¨anderungsarbeit .......................... 58
X Inhaltsverzeichnis
2.2.3 Wellenarbeit..................................... 62
2.2.4 Elektrische Arbeit und Arbeit nichtfluider Systeme ... 64
2.2.5 W¨arme und W¨armestrom ......................... 68
2.3 Energiebilanzgleichungen ................................ 70
2.3.1 Energiebilanzgleichungen fu¨r geschlossene Systeme.... 70
2.3.2 Massenbilanz und Energiebilanz
fu¨r einen Kontrollraum............................ 75
2.3.3 Instation¨are Prozesse offener Systeme ............... 82
2.3.4 Der 1.Hauptsatz fu¨r station¨are Fließprozesse......... 85
2.3.5 Enthalpie ....................................... 87
3 Der 2.Hauptsatz der Thermodynamik .................... 93
3.1 Entropie und Entropiebilanzen ........................... 93
3.1.1 Einfu¨hrende U¨berlegungen......................... 94
3.1.2 Die Formulierung des 2.Hauptsatzes durch Entropie
und thermodynamische Temperatur ................ 97
3.1.3 Die Entropiebilanzgleichung fu¨r geschlossene Systeme . 101
3.1.4 Die Irreversibilit¨at des W¨armeu¨bergangs und die
thermodynamische Temperatur .................... 106
3.1.5 Die Umwandlung von W¨arme in Nutzarbeit.
W¨armekraftmaschinen ............................ 112
3.1.6 Die Entropiebilanzgleichung fu¨r einen Kontrollraum .. 117
3.1.7 Die Entropiebilanzgleichung
fu¨r station¨are Fließprozesse ........................ 120
3.2 Die Entropie als Zustandsgr¨oße........................... 125
3.2.1 Die Entropie reiner Stoffe ......................... 125
3.2.2 Die Messung thermodynamischer Temperaturen
und die Entropie idealer Gase...................... 129
3.2.3 Das T,s-Diagramm ............................... 134
3.2.4 Fundamentalgleichungen und charakteristische
Funktionen ...................................... 137
3.2.5 Gleichgewichts- und Stabilit¨atsbedingungen.
Phasengleichgewicht .............................. 142
3.3 Die Anwendung des 2.Hauptsatzes auf
Energieumwandlungen: Exergie und Anergie ............... 150
3.3.1 Die beschr¨ankte Umwandelbarkeit der Energie ....... 150
3.3.2 Die Definitionen von Exergie, Anergie und
thermodynamischer Umgebung..................... 152
3.3.3 Die Rolle der Exergie in der Thermodynamik
und ihren technischen Anwendungen................ 156
3.3.4 Die Berechnung von Exergien und Exergieverlusten... 159
3.3.5 Exergie und Anergie der W¨arme ................... 164
3.3.6 Exergie und Anergie eines Stoffstroms............... 169
3.3.7 Exergiebilanzen und exergetische Wirkungsgrade ..... 171
Inhaltsverzeichnis XI
4 Die thermodynamischen Eigenschaften reiner Fluide...... 177
4.1 Die thermischen Zustandsgr¨oßen ......................... 177
4.1.1 Die p,v,T-Fl¨ache................................. 178
4.1.2 Das p,T-Diagramm und die Gleichung von
Clausius-Clapeyron............................... 181
4.1.3 Die thermische Zustandsgleichung .................. 185
4.1.4 Das Prinzip der korrespondierenden Zust¨ande........ 190
4.1.5 Kubische Zustandsgleichungen ..................... 192
4.2 Das Naßdampfgebiet.................................... 199
4.2.1 Nasser Dampf.................................... 199
4.2.2 Dampfdruck und Siedetemperatur .................. 200
4.2.3 Die spezifischen Zustandsgr¨oßen im Naßdampfgebiet .. 203
4.3 Zwei Stoffmodelle: ideales Gas und inkompressibles Fluid .... 208
4.3.1 Die Zustandsgleichungen des idealen Gases .......... 208
4.3.2 Die spezifischen W¨armekapazit¨aten idealer Gase...... 211
4.3.3 Entropie und isentrope Zustands¨anderungen
idealer Gase ..................................... 214
4.3.4 Das inkompressible Fluid.......................... 217
4.4 Zustandsgleichungen, Tafeln und Diagramme............... 220
4.4.1 Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie mit
Hilfe der thermischen Zustandsgleichung ............ 221
4.4.2 Fundamentalgleichungen .......................... 224
4.4.3 Schallgeschwindigkeit und Isentropenexponent ....... 226
4.4.4 Tafeln der Zustandsgr¨oßen......................... 229
4.4.5 Zustandsdiagramme .............................. 231
5 Gemische und chemische Reaktionen ..................... 235
5.1 Mischphasen und Phasengleichgewichte.................... 235
5.1.1 Gr¨oßen zur Beschreibung der Zusammensetzung...... 236
5.1.2 Mischungsgr¨oßen und die Irreversibilit¨at
des Mischungsvorgangs............................ 240
5.1.3 Partielle molare Gr¨oßen ........................... 244
5.1.4 Die Gibbs-Funktion einer Mischphase ............... 249
5.1.5 Chemische Potentiale. Membrangleichgewicht ........ 252
5.1.6 Phasengleichgewichte ............................. 258
5.1.7 Phasengleichgewichte in Zweistoffsystemen .......... 260
5.2 Ideale Gemische........................................ 266
5.2.1 Ideale Gasgemische ............................... 266
5.2.2 Die Zustandsgleichungen idealer Gasgemische ........ 268
5.2.3 Ideale L¨osungen.................................. 272
5.2.4 Phasengleichgewicht. Gesetz von Raoult............. 277
5.3 Ideale Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft ................. 281
5.3.1 Der S¨attigungspartialdruck des Wasserdampfes
und der Taupunkt ................................ 282
5.3.2 Absolute und relative Feuchte...................... 286