Einführung in die Technische Thermodynamik
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Arnold Frohn Einführung in die Technische Thermodynamik 2., überarbeitete Auflage Mit 139 Abbildungen und Übungen AULA-Verlag Wiesbaden INHALT 1. Grundlagen 1.1 Aufgabe und Methoden der Thermodynamik 1.2 System 1.3 Beschreibung des Systems 1.3.1 Makroskopischer Standpunkt 1.3.2 Mikroskopischer Standpunkt 1.4 Zustand des Systems 1.4.1 Thermodynamischer Gleichgewichtszustand 1.4.2 Quasistatische Zustandsänderungen . 1.5 Temperatur 1.5.1 Thermisches Gleichgewicht 1.5.2 Temperaturmessung— Empirische Temperatur 1.5.3 Deutung der Temperatur vom mikroskopischen Standpunkt . 1.6 Einfache geschlossene Systeme 1.6.1 Allgemeines 1.6.2 Die thermische Zustandsgieichung 1.6.3 Intensive, extensive, spezifische und molare Größen . . . . 1.7 Temperaturausgleich und Wärme 1.7.1 Allgemeines 1.7.2 Mikroskopischer Standpunkt 1.7.3 Kalorimetrie 1 1 2 4 4 6 6 6 8 8 8 10 11 12 12 12 18 19 19 20 21 2. Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme 2.1 Vorbemerkungen 2.2Arbeit 2.3 Innere Energie 2.4Wärme 2.5 Formulierung des ersten Hauptsatzes für ruhende geschlossene Systeme 2.6 Kalorische Zustandsgieichung 2.7 Enthalpie 2.8 Zusammenhang zwischen c p und cv 25 25 25 27 29 30 31 33 34 VTII Inhalt 3. Ideale Gase 3.1 Vorbemerkungen 3.2 Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gases 3.2.1 Verschiedene Formen der thermischen Zustandsgieichung . . 3.2.2 Mikroskopische Deutung der thermischen Zustandsgieichung des idealen einatomigen Gases 3.3 Kalorische Eigenschaften idealer Gase 3.3.1 Kalorische Zustandsgieichung 3.3.2 Mikroskopische Deutung der kalorischen Zustandsgieichung . 3.4 Einfache Zustandsänderungen idealer Gase 3.4.1 Isotherme Zustandsänderungen idealer Gase 3.4.2 Isochore Zustandsänderungen idealer Gase 3.4.3 Isobare Zustandsänderungen idealer Gase 3.4.4 Reversible adiabate Zustandsänderungen idealer Gase . . . . 3.4.5 Polytrope Zustandsänderungen idealer Gase 3.4.6 Reversible und irreversible Verdichtung des idealen Gases • . 3.4.7 Reversible und irreversible Prozesse 3.5 Kreisprozesse mit idealen Gasen 3.5.1 Zu Standsgrößen 3.5.2 Bestimmung der Differenz c p - c v 3.5.3 Der Carnotsche Kreisprozeß für ideale Gase 3.6 Gemische idealer Gase 3.6.1 Vorbemerkungen 3.6.2 Einige allgemeine Definitionen 3.6.3 Zustandsgieichungen für Gemische idealer Gase 37 37 37 37 40 42 42 46 50 50 52 52 53 56 60 62 63 63 64 66 68 68 69 70 4. Erster Hauptsatz für Systeme mit Bewegung 4.1 Vorbemerkungen 4.2 Bewegtes geschlossenes System im äußeren Kraftfeld 4.3 Erster Hauptsatz für offene Systeme 4.4 Stationäre Fließprozesse 4.5 Der Joule-Thomson-Versuch 4.6 Die Bernoullische Gleichung 76 76 76 77 78 80 81 5. Zweiter Hauptsatz 5.1 Vorbemerkungen 5.2DieCarnot-Maschine 5.2.1 Wirkungsgrad der Carnot-Maschine 5.2.2 Die absolute Temperaturskala 85 85 88 88 90 Inhalt 5.3 Zweiter Hauptsatz und Entropie . 5.3.1 Erster Teil des zweiten Hauptsatzes 5.3.2 Zweiter Teil des zweiten Hauptsatzes 5.3.3 Formulierung des zweiten Hauptsatzes 5.4Folgerungen aus dem zweiten Hauptsatz 5.4.1 Allgemeines 5.4.2 Das Temperatur-Entropie-Diagramm 5.4.3 Zustandsänderungen im Temperatur-Entropie-Diagramm . 5.4.4 Reversible Kreisprozesse 5.4.5 Zur Bedeutung der Entropie 5.5 Die thermodynamischen Potentiale 5.5.1 Die Potentialeigenschaft der inneren Energie 5.5.2 Transformation der unabhängigen Veränderlichen . . . . 5.5.3 Die Maxwell-Beziehungen 5.6 Weitere Beispiele für die Berechnung von Entropiedifferenzen . 5.6.1 Temperaturausgleich 5.6.2 Mischungsentropie 5.6.3 Dissipation 5.6.4 Adiabate Drosselung 5.7 Thermodynamisches Gleichgewicht 5.7.1 Maximum der Entropie 5.7.2 Anwendung auf den Gleichgewichtszustand eines einfachen thermodynamischen Systems 5.7.3 Extremaleigenschaften der thermodynamischen Potentiale . 5.8 Maximale Arbeit 5.8.1 Maximale Arbeit des geschlossenen Systems 5.8.2 Maximale Arbeit für offene stationäre Systeme 5.8.3 Bewertung der Energiearten 5.9 Ergänzungen zum zweiten Hauptsatz 5.9.1 Allgemeine Kraft-und Arbeitskoordinaten 5.9.2 Die Temperatur als integrierender Nenner 5.9.3 Reversible adiabate Flächen 5.9.4 Integrierender Nenner für die Wärme 5.9.5 Thermodynamische Bedeutung des integrierenden Nenners 5.9.6 Die Temperaturskala 5.9.7 Pfaffsche Formen 5.9.8 Die Aussage von Carathdodory IX 92 92 96 98 99 99 99 . 101 103 104 105 105 106 107 . 109 109 110 112 115 117 117 . 118 . 119 120 120 123 124 125 125 . 126 126 129 . 130 132 133 137 X Inhalt 6. Mehrphasensysteme 6.1Dasvan-der-Waals-Gas 6.1.1 Thermische Eigenschaften 6.1.2 Kalorische Eigenschaften 6.1.3 Die Grenze zwischen gasförmiger und flüssiger Phase im p,v-Diagramm des van-der-Waals-Gases 6.2 Zum Zweiphasengebiet realer Gase 6.3 Die Dampfdruckkurve 6.4 Systeme mit drei Phasen 140 140 140 142 7. Dritter Hauptsatz 164 8. Gemische von Gasen und Dämpfen 8.1 Einleitung 8.2 Einige Definitionen 8.3 Kalorische Eigenschaften feuchter Luft 8.4 Das h,x-Diagramm feuchter Luft 8.5 Abkühlung feuchter Luft 8.6 Mischungsvorgänge feuchter Luft 167 167 167 172 172 175 176 146 151 154 159 9. Anwendungen der Gleichgewichtsbedingungen 179 9.1 Systeme mit chemischen Reaktionen 179 9.2 Das chemische Potential 181 9.3 Das Massenwirkungsgesetz 182 9.4 Das Gleichgewicht zwischen Phasen mit unterschiedlichen Drücken . 186 9.5 Druck- und Temperaturabhängigkeit der Konstanten des Massenwirkungsgesetzes 190 9.6 Der Satz von Hess 192 9.7 Heterogene Reaktionen 193 9.8 Die Kirchhoffsche Gleichung 194 9.9Katalyse 195 10. Technische Anwendungen der Kreisprozesse 197 10.1 Allgemeines 197 10.2 Verdichter 197 10.2.1 Einstufige Kolbenverdichter ohne schädlichen Raum . . 197 10.2.2 Mehrstufige Verdichtung ohne schädlichen Raum . . . . 201 10.2.3 Einstufige Kolbenverdichter mit schädlichem Raum . . . 204 10.2.4 Turboverdichter 206 10.2.5 Strahlverdichter 207 Inhalt . 10.3 10.4 10.5 10.6 Der Ottoprozeß Der Dieselprozeß Der Seiliger-Prozeß Turbinen 10.6.1 Gasturbinen 10.6.2 Turbinenstrahltriebwerke 10.6.3 Staustrahltriebwerke 10.6.4 Wellenleistungstriebwerke 10.7 Raketen 10.8 Kälteerzeugung 10.9 Wasserdampf in Wärmekraftanlagen 11. Anwendung der Thermodynamik auf einfache Strömungsvorgänge . . 11.1 Schwache Störungen der Zustandsgrößen — Die Schallgeschwindigkeit 11.2 Einige Folgerungen aus dem ersten Hauptsatz 11.3 Grundgleichungen eindimensionaler Strömung 11.4 Strömung durch Rohre mit veränderlichem Querschnitt . . . . 11.5 Zustandsänderungen im Verdichtungsstoß 11.6 Entropiezunahme im Verdichtungsstoß 11.7 Fanno-Linie und Rayleigh-Linie XI 207 209 210 211 211 214 215 215 215 217 220 223 223 226 232 234 235 240 242 Literatur 246 Namen- und Sachverzeichnis 249
