Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme

566 Pages·2013·5.03 MB·German

by  Peter Stephan

Springer-Lehrbuch
Peter Stephan · Karlheinz Schaber
Karl Stephan · Franz Mayinger
Thermodynamik
Grundlagen und technische Anwendungen
Band 1: Einstoffsysteme
19. Auflage
Springer-Lehrbuch
⋅
Peter Stephan Karlheinz Schaber
⋅
Karl Stephan Franz Mayinger
Thermodynamik
Grundlagen und technische Anwendungen
Band 1: Einstoffsysteme
19., ergänzte Auflage
PeterStephan KarlStephan
TUDarmstadt UniversitätStuttgart
Darmstadt,Deutschland Stuttgart,Deutschland
KarlheinzSchaber FranzMayinger
KarlsruherInstitutfürTechnologie TUMünchen
Karlsruhe,Deutschland Garching,Deutschland
ISBN978-3-642-30097-4 ISBN978-3-642-30098-1(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-30098-1
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Vorwort zur neunzehnten Auflage
Die sechzehnte Auflage erschien im Jahr 2005 als eine umfassendeNeubearbeitung des
bekanntenLehrbuchsvonKarlStephanundFranzMayinger.Indenbeiden2006und2008
folgendenAuflagenwurdenlediglichgeringfügigeKorrekturenvorgenommen.
Fürdiejetztvorliegende19.Auflagehabenwirunsentschlossen,eineReiheneuerund
aktuellerBeispiel-undÜbungsaufgabenmitLösungenzuergänzen.Darüberhinauskonn-
teneinigenochverbliebeneDruckfehlerkorrigiertwerden.AlswesentlicheNeuerungha-
benwirdieBeispiel-undÜbungsaufgabenausdeneinzelnenKapitelnherausgezogenund
inseparatenAbschnittenzusammengefasst,diejeweilsdasEndeeinesKapitelsbilden.Dies
solleinerseitsdasAuffindenderAufgabenerleichternundandererseitsStudierendeneinen
besserenÜberblick darüberermöglichen,welcheProblememitdenimaktuellen Kapitel
erlerntenMethodengelöstwerdenkönnen.
MögeunserBuchauchweiterhinGefallenfindenunddenLeserndieGrundlagenund
technischenAnwendungenderThermodynamiknahebringen.
Darmstadt PeterStephan
Karlsruhe,imDezember2012 KarlheinzSchaber
V
Vorwort zur sechzehnten Auflage
DasvorliegendeBuchisteineumfassendeNeubearbeitungdesbekanntenLehrbuchesvon
KarlStephanundFranzMayinger„Thermodynamik:GrundlagenundtechnischeAnwen-
dungen“,daszuletztals15.Auflage1998erschienenist.DerUrsprungdesWerkesistdas
LehrbuchvonErnstSchmidt„TechnischeThermodynamik;GrundlagenundAnwendun-
gen“,das1936erstmalsundzuletztals10.Auflage1963unterdemTitel„Einführungindie
TechnischeThermodynamikundindieGrundlagenderchemischenThermodynamik“er-
schien.
KarlStephanundFranzMayingerhabenalsAutorender11.bis15.Auflageeinevoll-
ständigeNeubearbeitungvorgenommenunddasWerkummehrereKapitelergänzt,ins-
besondereimBereichderMehrstoffsystemeunddertechnischenStofftrennprozesse.Seit
der11.Auflage,1975,erscheintdasBuchinzweiBänden,vondenendererstedieTher-
modynamikderEinstoffsysteme,derzweitediederMehrstoffsystemeundderchemischen
Reaktionenbehandelt.
DerTraditiondesbekanntenLehrbuchesverpflichtet,dasvieleGenerationenvonStu-
dierendenderIngenieurwissenschaftenbegleitethat,habenwirdiebewährtenInhalteund
deren Aufteilung auf zwei Bändeweitgehend beibehalten. Dies gilt auch für die im Ver-
gleichzuanderenLehrbüchernreichlicheAusstattungmitZahlenangabenfürStoffeigen-
schaften.
WesentlicheÄnderungenwurdendagegenimvorliegendenerstenBandanderStruktur
derDarstellungvorgenommen.ImMittelpunktderÜberlegungenstanddabei,diezentra-
leBedeutungderBilanzenvonMasse,EnergieundEntropieinderThermodynamikund
derenAnalogienstärkerzurGeltungzubringen.Sowurdenbeispielsweisedieallgemein-
gültigeMethodeeinerBilanzierungdenAbleitungen derbeidenHauptsätzevorangestellt
unddieKapitelzurEnergiebilanzbzw.zumerstenHauptsatzsowiezurEntropiebilanzbzw.
zumzweitenHauptsatzähnlichstrukturiert.DieBilanzgleichungenfürEnergieundEntro-
piewerdenzunächstumfassendundallgemeingültigfürbeliebigethermodynamischeSys-
temevorgestelltunderstdannaufSpezialfälleangewandt.ThermischeundkalorischeZu-
standsgleichungenwerdeninjeweilseigenenKapitelngetrenntvondenHauptsätzenbe-
handelt. Bei der Beschreibung der Stoffeigenschaften haben wir die Ergebnisse neuerer
Arbeiten eingearbeitet. In das Kapitel über thermodynamische Prozesse haben wir ein-
gangsBeschreibungenundBerechnungsgrundlageneinzelnerAnlagenkomponentenwie
VII
VIII VorwortzursechzehntenAuflage
beispielsweisePumpenoderTurbineneingefügt.DemGedankenfolgendvomAllgemei-
nenausgehenddasSpezielleabzuleiten, sinddentechnischen Kreisprozessenallgemeine
BetrachtungenüberWärmekraftmaschinen,KältemaschinenundWärmepumpenvoran-
gestellt.
WiedievorausgegangenenenthältauchdieNeuauflageeineEinführungindieWärme-
übertragung,etwaindemUmfangwiesieindenGrundlagenvorlesungendesMaschinen-
bausundderVerfahrenstechnikbzw.Chemieingenieurtechnikgelehrtwird.
GegenüberdenfrüherenAuflagenhabenwirdieFormelzeicheneinigerGrößengeän-
dert,wobeifürunseinekonsequente,insichkonsistenteBezeichnungthermodynamischer
GrößenvonvorrangigerBedeutung war.DerAnhangwurdeumeinGlossarmitkurzen
ErläuterungenderwichtigstenthermodynamischeBegriffeergänzt.
DieThermodynamikwirdvondenStudierendenallgemeinalseinesderschwierigsten
Wissensgebieteangesehen,obwohlsiemitnurwenigenLehrsätzenundmathematischen
Kenntnissenauskommt.DiesmagvorallemandenSchwierigkeiten liegen,diewenigen,
aber oft sehr abstrakten, allgemein gültigen Gesetze auf konkrete technische und physi-
kalischeVorgängeanzuwenden.Die neueStruktur der Darstellungdes Buches solldazu
beitragen,dieseSchwierigkeitenzuvermindern.DerTraditiondesBuchesfolgendwerden
dabeidieGrundlagentrotzallergebotenenwissenschaftlichenStrengestetssoanschaulich
wiemöglichdargebotenundunmittelbarimAnschlussandieentwickeltenSätzederenAn-
wendungendargestelltunddurchpraxisnaheBeispielesowiezahlreicheÜbungsaufgaben
vertieft.
Den ehemaligen Autoren, Karl Stephan und Franz Mayinger, sind wir für wertvolle
HinweiseundRatschlägezuDankverpflichtet.DemSpringer-Verlagdankenwirfürdiean-
genehmeZusammenarbeitundunserenMitarbeiternClemensMeyerundMichaelKempf
fürdiesorgfältigeErstellungderdruckfähigenDatei.
Darmstadt PeterStephan
Karlsruhe,imJuni2005 KarlheinzSchaber
Inhaltsverzeichnis
ListederFormelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
1 GegenstandundGrundbegriffederThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 GegenstandderThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ThermodynamischeSysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 DieKoordinatenundderZustandeinesSystems . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 ZustandsgrößenundSystemeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 MaßsystemeundEinheiten.Größengleichungen . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1 DasInternationaleEinheitensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.2 AndereEinheitensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3 Größengleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 DasthermodynamischeGleichgewichtunddieempirischeTemperatur . . 17
2.1 DasthermodynamischeGleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 DernullteHauptsatzunddieempirischeTemperatur . . . . . . . . . . . . 20
2.3 DieinternationaleTemperaturskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 PraktischeTemperaturmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 Flüssigkeitsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 Widerstandsthermometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3 Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.4 Strahlungsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 DiethermischeZustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 DastotaleDifferentialderthermischenZustandsgleichung . . . . . . . . 36
3.2 DiethermischeZustandsgleichungdesidealenGases . . . . . . . . . . . . 39
3.3 DieEinheitStoffmengeunddieuniverselleGaskonstante . . . . . . . . . 40
3.4 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
IX
X Inhaltsverzeichnis
4 Energieformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 Systemenergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 MechanischeEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.2 InnereEnergieundihrekinetischeDeutung . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 MechanischeArbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 VolumenänderungsarbeitundNutzarbeit . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.3 Wellenarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.4 ElektrischeArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.5 WeitereArbeitsformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.6 VerallgemeinerungdesBegriffesArbeitunddiedissipierte
Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 AnMaterietransport gebundene Energie unddie Zustandsgröße
Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 MethodederBilanzierungundderersteHauptsatzderThermodynamik . 81
5.1 DieallgemeineStruktureinerBilanzgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 FormulierungdeserstenHauptsatzesunddietechnischeArbeit . . . . 82
5.3 DerersteHauptsatzfürgeschlossenenSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4 MessungundEigenschaftenvoninnererEnergieundWärme . . . . . . 87
5.5 DieMassenbilanzfüroffeneSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.6 DerersteHauptsatzfüroffeneSysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.7 TechnischeArbeitinstationärdurchströmtenKontrollräumen . . . . . 93
5.8 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6 DiekalorischenZustandsgleichungenunddiespezifischen
Wärmekapazitäten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1 DiespezifischenWärmekapazitätenderidealenGase . . . . . . . . . . . . 99
6.2 DiemittlerenspezifischenWärmekapazitätenderidealenGase . . . . . 103
6.3 DiekalorischenZustandsgleichungeninkompressiblerStoffe. . . . . . . 112
6.4 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 AnwendungendeserstenHauptsatzesderThermodynamik. . . . . . . . . . . 115
7.1 ZustandsänderungenidealerGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1.1 ZustandsänderungenbeikonstantemVolumenoderIsochore 115
7.1.2 ZustandsänderungbeikonstantemDruckoderIsobare. . . . . 116
7.1.3 ZustandsänderungbeikonstanterTemperaturoderIsotherme 117
7.1.4 DissipationsfreieadiabateZustandsänderungen. . . . . . . . . . 118
7.1.5 PolytropeZustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.2 Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Inhaltsverzeichnis XI
7.3 Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Stoffstrommischung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.5 Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.6 VerdichtenundEntspannenidealerGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.7 StrömungendurchKanälemitQuerschnittsänderungen . . . . . . . . . . 132
7.8 Drosselvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.9 Überströmvorgänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.10 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8 DasPrinzipderIrreversibilitätunddieZustandsgrößeEntropie . . . . . . . 145
8.1 DasPrinzipderIrreversibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2 EntropieundabsoluteTemperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.3 DieEntropiealsvollständigesDifferentialunddieabsoluteTemperatur
alsintegrierenderNenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.3.1 MathematischeGrundlagenzumintegrierendenNenner . . . 156
8.3.2 EinführungdesEntropiebegriffesundderabsoluten
TemperaturskalamitHilfedesintegrierendenNenners. . . . . 162
8.4 StatistischeDeutungderEntropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.4.1 DiethermodynamischeWahrscheinlichkeiteinesZustandes . 166
8.4.2 EntropieundthermodynamischeWahrscheinlichkeit. . . . . . 170
8.4.3 DieendlicheGrößederthermodynamischen
Wahrscheinlichkeit,Quantentheorie,
NernstschesWärmetheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.5 GibbsscheFundamentalgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.6 ZustandsgleichungenfürdieEntropieundEntropiediagramme . . . . . 178
8.6.1 DieEntropieidealerGaseundandererStoffe. . . . . . . . . . . . 178
8.6.2 DieEntropiediagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.7 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9 EntropiebilanzundderzweiteHauptsatzderThermodynamik . . . . . . . . 185
9.1 AustauschprozesseunddasthermodynamischeGleichgewicht . . . . . 185
9.2 EntropiebilanzundallgemeineFormulierungdeszweitenHauptsatzes 188
9.3 DerzweiteHauptsatzfürgeschlosseneSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.3.1 ZusammenhangzwischenEntropieundWärme . . . . . . . . . 193
9.3.2 ZustandsänderungengeschlosseneradiabaterSysteme . . . . . 195
9.3.3 IsentropeZustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
9.4 DerzweiteHauptsatzfüroffeneSysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.5 EntropiebilanzundKreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.6 BeispieleundAufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202