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Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen: Zwölfte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage Unter Mitarbeit von Stephan Kabelac PDF

664 Pages·2005·7.133 MB·German
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Springer-Lehrbuch Hans Dieter Baehr Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen Zwölfte,neubearbeiteteunderweiterteAuflage UnterMitarbeitvonStephanKabelac Mit286AbbildungenundzahlreichenTabellen sowie74Beispielen 123 Dr.-Ing.Dr.-Ing.E.h.HansDieterBaehr emer.o.ProfessorfürThermodynamikanderUniversitätHannover BibliografischeInformationderDeutschenBibliothek DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.ddb.deabrufbar. ISBN3-540-23870-0 SpringerBerlinHeidelbergNewYork DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderedieder Übersetzung,desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunk- sendung,derMikroverfilmungoderderVervielfältigungaufanderenWegenundderSpeicherungin Datenverarbeitungsanlagen,bleiben,auchbeinurauszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVer- vielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzen dergesetzlichenBestimmungendesUrheberrechtsgesetzesderBundesrepublikDeutschlandvom9. September1965inderjeweilsgeltendenFassungzulässig.Sieistgrundsätzlichvergütungspflichtig. ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes. SpringeristeinUnternehmenvonSpringerScience+BusinessMedia springer.de ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1962,1966,1973,1978,1981,1984,1988,1989,1992,1996,2000,2002, 2005 PrintedinGermany DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerk berechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,daßsolcheNamenimSinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermannbenutztwerdendürften. SollteindiesemWerkdirektoderindirektaufGesetze,VorschriftenoderRichtlinien(z.B.DIN,VDI, VDE)Bezuggenommenoderausihnenzitiertwordensein,sokannderVerlagkeineGewährfür die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualitätübernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für dieeigenenArbeitendievollständigenVorschriftenoderRichtlinieninderjeweilsgültigenFassung hinzuziehen. SatzundHerstellung:LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig Einbandgestaltung:design&productionGmbH,Heidelberg GedrucktaufsäurefreiemPapier SPIN:11007951 7/3111YL-543210 Vorwort zur zwo¨lften Auflage DerFortschrittha¨ngtwesentlichdavon ab, daß wir nicht einfach vergessen, was man schon einmal wußte. Robert Spaemann (geb. 1927) Die zw¨olfte Auflage meines Lehrbuchs entha¨lt neu bearbeitete Abschnitte u¨berStoffdaten.HierbeiwurdendieWertederfundamentalenphysikalischen Konstanten, der molaren Massen und der spezifischen Gaskonstanten wich- tiger Stoffe auf den neuesten Stand gebracht. Vor allem aber findet der Leser nun genaue Berechnungsgleichungen fu¨r die Temperaturabha¨ngigkeit der spezifischen Wa¨rmekapazita¨t, der spezifischen Enthalpie und der spezi- fischen Entropie einer Reihe idealer Gase. Damit lassen sich die genannten Temperaturfunktionen in einfacher Weise auch fu¨r Luft und Verbrennungs- gase mit einem PC berechnen, was die Auswertung der Energie-, Entropie- und Exergiebilanzen von Verbrennungsprozessen merklich erleichtert. Trotz- dem wurden die Tabellen mit den mittleren spezifischen W¨armekapazita¨ten idealer Gase und einiger fu¨r Verbrennungsprozesse wichtigen Gasgemische beibehalten, jedoch mit den genannten Gleichungen neu berechnet. Einzelne AuswertungenvonEnergiebilanzenlassensichna¨mlichmitdenmittlerenspe- zifischen W¨armekapazita¨ten auch ohne Computer-Einsatz schnell und genau ausfu¨hren. IndenanderenKapitelndesBucheshabeichzahlreicheKorrekturenund einige Erga¨nzungen vorgenommen, beispielsweise bei der Behandlung des thermischen Gleichgewichts und der CO -Emissionen der Stromerzeugung. 2 Besonders im Kapitel u¨ber Verbrennungsprozesse und Verbrennungskraftan- lagen ergaben sich merkliche A¨nderungen. Schließlich wurde das Literatur- verzeichnis durch die Aufnahme neuer Vero¨ffentlichungen aktualisiert. BeiderNeufassungderAbschnitteu¨berdieStoffdatenhatmichHerrPro- fessor Dr.-Ing. habil. S. Kabelac, Institut fu¨r Thermodynamik der Helmut Schmidt Universita¨t, Hamburg, unterstu¨tzt. Ohne seine Mitwirkung wa¨re dieseNeubearbeitungnichtm¨oglichgewesen.HerrProfessorKabelachatsich außerdem bereiterkla¨rt, als Koautor an der Bearbeitung der weiteren Aufla- gen dieses Buches mitzuwirken. Ich begru¨ße dies in hohem Maße und in der Erwartung,daßesdadurchgelingt,diesesbewa¨hrteLehrbuchauchweiterhin auf einem hohen wissenschaftlichen Stand zu halten, neue didaktische Kon- VI Vorwort zur zw¨olften Auflage zeptezuverwirklichenundku¨nftigeEntwicklungendertechnischenPraxiszu beru¨cksichtigen. Mo¨ge auch die vorliegende zw¨olfte Auflage wieder zahlreiche Leser fin- den. Den Studenten an Universita¨ten und Fachhochschulen bietet sie eine ausfu¨hrliche und versta¨ndliche Einfu¨hrung in die Thermodynamik und ih- re technischen Anwendungen. Der in Forschung und Praxis ta¨tige Ingenieur findet hier ein umfassendes Nachschlagewerk, das ihm bei der Beantwortung von Zweifelsfragen und bei der Lo¨sung vieler Probleme helfen wird. Bochum, im Januar 2005 H.D. Baehr Aus dem Vorwort zur zehnten Auflage Res tantum cognosciturquantum diligitur. Aurelius Augustinus (354–430) Thermodynamik ist eine Grundlagenwissenschaft vor allem fu¨r zwei Tech- nikbereiche: die Energietechnik und die Chemietechnik (Verfahrenstechnik). BeidenBereichenstelltdieThermodynamikeineallgemeineEnergielehrezur Verfu¨gung und eine damit verbundene Materialtheorie der thermodynami- schen Eigenschaften der Materie. In den fru¨heren Auflagen dieses Buches standendieEnergielehreunddieenergietechnischenAnwendungenderTher- modynamik im Vordergrund. Die thermodynamische Theorie der Materie wurde nur so weit er¨ortert, wie es fu¨r Studenten des Maschinenbaus erfor- derlich war. Sie beschra¨nkte sich auf die thermodynamischen Eigenschaften der reinen Fluide und der idealen Gasgemische. Fu¨r die Ausbildung der Ver- fahrensingenieure ist dieses Fundament allerdings zu schmal. Ich habe da- her in dieser Neuauflage die sogenannte chemische Thermodynamik st¨arker beru¨cksichtigt. Jetzt werden nicht nur die idealen Gasgemische behandelt, sondern – auf der Grundlage der Gibbs’schen Thermodynamik – auch die Grundzu¨geeinerallgemeinenThermodynamikderrealenGemische.Neuauf- genommen habe ich eine moderne Darstellung der Thermodynamik chemi- scher Reaktionen, deren Kernstu¨ck die Anwendung der Hauptsa¨tze auf che- misch reagierende Gemische ist. Dieses Lehrbuch soll in seiner neuen Form den Studenten u¨ber die Vor- lesungen und Pru¨fungen des Grundstudiums hinaus in das Hauptstudium und die Berufspraxis begleiten. Wie in den fru¨heren Auflagen wird es dem Studenten der Energietechnik eine verla¨ßliche Basis fu¨r weiterfu¨hrende Vor- lesungen bieten. Studenten der Verfahrenstechnik finden nun die Grundzu¨ge einer allgemeinen Thermodynamik der Gemische und der chemischen Re- aktionen, was ihnen das Versta¨ndnis der Vorlesungen u¨ber thermische und chemische Verfahrenstechnik erleichtern wird. Im Sinne einer technisch- wissenschaftlichen Allgemeinbildung soll dieses Buch das Verst¨andnis des Energietechnikersfu¨r dieGrundlagen verfahrenstechnischer Prozessefo¨rdern und umgekehrt dem Verfahrenstechniker allgemeine energietechnische Zu- sammenh¨ange nahe bringen. Im v¨ollig neu gefaßten Kapitel 5 u¨ber Gemische und chemische Reaktio- nen findet der Leser zuerst die Behandlung der neuen Grundlagen, z.B. den VIII Aus dem Vorwort zur zehnten Auflage Begriff der partiellen molaren Zustandsgro¨ße, die chemischen Potentiale und die Bedingungen des Phasengleichgewichts. Dann werden die idealen Gas- gemische und die idealen Lo¨sungen behandelt. Bei den realen Gemischen habe ich die von G.N. Lewis eingefu¨hrten Gro¨ßen Fugazita¨ts- und Akti- vita¨tskoeffizient verwendet, aber auch gezeigt, daß man mit ihrer Hilfe nur eine, wenn auch formal sehr geschickte, Umformulierung des Realanteils des chemischen Potentials erh¨alt. Dabei habe ich mich, um den Umfang des Bu- ches nicht zu stark wachsen zu lassen, auf die Einfu¨hrung der Begriffe und ihre Anwendung auf das Phasengleichgewicht zwischen Gas und Flu¨ssigkeit beschr¨ankt. Bei der Behandlung der chemischen Reaktionen bin ich von der ErhaltungderchemischenElementeausgegangen;siefindetihrenquantitati- venAusdruckindenReaktionsgleichungenunddenElementbilanzen.Umdie beiden Hauptsa¨tze auf reagierende Gemische anwenden zu k¨onnen, mu¨ssen bekanntlich die Enthalpien und Entropien der an einer Reaktion beteiligten Stoffe aufeinander abgestimmt werden. Die Lo¨sung dieses Problems durch die Reaktionsenthalpien und Standard-Bildungsenthalpien sowie den dritten Hauptsatz der Thermodynamik habe ich ausfu¨hrlich dargestellt. Schließlich gehe ich auf die Bedingungen des Reaktionsgleichgewichts und die Berech- nungderGleichgewichtszusammensetzungein,diedankderEntwicklungder Computertechnik kaum noch gro¨ßere rechentechnische Probleme aufwirft. Mit ihren zahlreichen A¨nderungen und Erga¨nzungen, mit der Erweite- rung um die Thermodynamik der Gemische und der chemischen Reaktionen ist die zehnte Auflage zu einem neuen Lehrbuch geworden. M¨oge es auch in dieser Gestalt viele Leser finden und zahlreichen Studenten als klare und verst¨andlicheEinfu¨hrungineinoftalsschwierigempfundenesGebietdienen: in die Thermodynamik und ihre energie- und verfahrenstechnischen Anwen- dungen. Hannover, im Sommer 2000 H.D. Baehr 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 Systemgrenze ......................... 12 1.2.2 Zustand und Zustandsgro¨ßen ...................... 13 1.2.3 Extensive, intensive, spezifische und molare Zustandsgro¨ßen, Dichten................ 16 1.2.4 Fluide Phasen. Zustandsgleichungen ................ 20 1.3 Prozesse............................................... 21 1.3.1 Prozeß und Zustandsa¨nderung ..................... 21 1.3.2 Reversible und irreversible Prozesse................. 22 1.3.3 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilita¨t ...................... 26 1.3.4 Quasistatische Zustands¨anderungen und irreversible Prozesse .......................... 27 1.3.5 Stationa¨re 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 der Fluide ......... 50 2.1.4 Die Energiebilanzgleichung ........................ 53 2.2 Arbeit und Wa¨rme ..................................... 56 2.2.1 Mechanische Arbeit und Leistung .................. 56 2.2.2 Volumena¨nderungsarbeit .......................... 57 X Inhaltsverzeichnis 2.2.3 Wellenarbeit..................................... 62 2.2.4 Elektrische Arbeit und Arbeit nichtfluider Systeme ... 64 2.2.5 Wa¨rme und Wa¨rmestrom ......................... 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 Instationa¨re Prozesse offener Systeme ............... 82 2.3.4 Der 1. Hauptsatz fu¨r stationa¨re 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 Irreversibilita¨t des W¨armeu¨bergangs und die thermodynamische Temperatur ............. 106 3.1.5 Die Umwandlung von Wa¨rme in Nutzarbeit. Wa¨rmekraftmaschinen ............................ 112 3.1.6 Die Entropiebilanzgleichung fu¨r einen Kontrollraum .. 117 3.1.7 Die Entropiebilanzgleichung fu¨r stationa¨re Fließprozesse ........................ 120 3.2 Die Entropie als Zustandsgro¨ße........................... 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 Stabilita¨tsbedingungen. Phasengleichgewicht .............................. 142 3.3 Die Anwendung des 2. Hauptsatzes auf Energieumwandlungen: Exergie und Anergie ............... 150 3.3.1 Die beschra¨nkte 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... 160 3.3.5 Exergie und Anergie der Wa¨rme ................... 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...... 179 4.1 Die thermischen Zustandsgro¨ßen ......................... 179 4.1.1 Die p,v,T-Fla¨che................................. 180 4.1.2 Das p,T-Diagramm und die Gleichung von Clausius-Clapeyron ............................... 183 4.1.3 Die thermische Zustandsgleichung .................. 187 4.1.4 Das Prinzip der korrespondierenden Zusta¨nde........ 192 4.1.5 Kubische Zustandsgleichungen ..................... 194 4.2 Das Naßdampfgebiet.................................... 201 4.2.1 Nasser Dampf.................................... 201 4.2.2 Dampfdruck und Siedetemperatur .................. 202 4.2.3 Die spezifischen Zustandsgro¨ßen im Naßdampfgebiet .. 205 4.3 Zwei Stoffmodelle: ideales Gas und inkompressibles Fluid .... 210 4.3.1 Die Zustandsgleichungen des idealen Gases .......... 210 4.3.2 Die spezifischen W¨armekapazita¨ten idealer Gase...... 213 4.3.3 Entropie und isentrope Zustandsa¨nderungen idealer Gase ..................................... 216 4.3.4 Das inkompressible Fluid.......................... 219 4.4 Zustandsgleichungen, Tafeln und Diagramme............... 222 4.4.1 Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie mit Hilfe der thermischen Zustandsgleichung......... 223 4.4.2 Fundamentalgleichungen .......................... 226 4.4.3 Schallgeschwindigkeit und Isentropenexponent ....... 228 4.4.4 Tafeln der Zustandsgro¨ßen......................... 231 4.4.5 Zustandsdiagramme .............................. 233 5 Gemische und chemische Reaktionen ..................... 237 5.1 Mischphasen und Phasengleichgewichte.................... 237 5.1.1 Gro¨ßen zur Beschreibung der Zusammensetzung...... 238 5.1.2 Mischungsgro¨ßen und die Irreversibilita¨t des Mischungsvorgangs............................ 242 5.1.3 Partielle molare Gro¨ßen ........................... 246 5.1.4 Die Gibbs-Funktion einer Mischphase ............... 251 5.1.5 Chemische Potentiale. Membrangleichgewicht ........ 254 5.1.6 Phasengleichgewichte ............................. 260 5.1.7 Phasengleichgewichte in Zweistoffsystemen .......... 262 5.2 Ideale Gemische........................................ 268 5.2.1 Ideale Gasgemische ............................... 268 5.2.2 Die Zustandsgleichungen idealer Gasgemische ........ 270 5.2.3 Ideale Lo¨sungen.................................. 274 5.2.4 Phasengleichgewicht. Gesetz von Raoult............. 279 5.3 Ideale Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft ................. 283 5.3.1 Der Sa¨ttigungspartialdruck des Wasserdampfes und der Taupunkt ................................ 284 5.3.2 Absolute und relative Feuchte...................... 288

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