Inhaltsverzeichnis - Wiley-VCH
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Inhaltsverzeichnis Einführung 21 Über dieses Buch Konventionen in diesem Buch Törichte Annahmen über den Leser Wie dieses Buch aufgebaut ist Teil I: Die exakten Grundlagen Teil II: Stoffgesetze und ihre praktischen Anwendungen Teil III: Energieprinzip, Hauptsätze und Entropie Teil IV: Thermodynamische Kreisprozesse Teil V: Wasser und Wasserdampf Teil VI: Chemische Thermodynamik Teil VII: Der Top-Ten-Teil Symbole, die in diesem Buch verwendet werden Wie es weitergeht 21 21 22 22 22 23 23 23 24 24 24 24 25 Teil I Die exakten Grundlagen 27 Kapitel 1 Warum ist die Thermodynamik wichtig 29 Was genau ist Thermodynamik? Systeme grenzen Prozesse ab Wie die Temperatur die Eigenschaften der Materie verändert Energieumwandlung ist Thermodynamik Die Stellung der Thermodynamik in der Ingenieurwissenschaft Grundgleichungen der technischen Mechanik Flüssigkeiten sind geschmolzene Festkörper, Gase sind Flüssigkeitsdämpfe Grundgleichungen der Strömungsmechanik Die Gleichung für das Temperaturfeld Ganzheitliche Betrachtung der Grundgleichungen Kapitel 2 Betrachtung der Materie mit Feldgrößen 29 30 30 31 32 32 33 34 37 38 39 Grundgrößen der Thermodynamik Verbrennen Sie sich nicht die Finger: Die Temperatur Unter Druck Was noch bleibt: Masse, Volumen, Dichte Wie lassen sich die Grundgrößen exakt berechnen? Kontinuitätsgleichung oder Erhaltungsgleichung für die Masse 39 40 40 40 40 41 11 Thermodynamik für Dummies Das Strömungsfeld als Rechengebiet Die Bilanz der Masse anschaulich gemacht Anwendungsbeispiel: Wie funktioniert ein Ram-Jet? Anwendungsbeispiel: Trägerrakete Spezialfälle der Kontinuitätsgleichung Die Kontinuitätsgleichung für stationäre Strömungen Die Kontinuitätsgleichung für stationäre und inkompressible Strömungen Die eindimensionale und stationäre Kontinuitätsgleichung Beispiel: Stromverzweigung in einer Wasserleitung Die berühmten Navier-Stokes-Gleichungen Das hydrostatische Grundgesetz Was Sie bisher gelernt haben Was noch kommt Gleichung für das Temperaturfeld Was Wärmeleitung ist Eindimensionale und instationäre Wärmeleitung in Festkörpern Die eindimensionale Temperaturverteilung in einer unendlich ausgedehnten Wand Temperaturerhöhung durch adiabatische Kompression Eine Grundgleichung fehlt noch! Kapitel 3 Makroskopische Betrachtung der Materie Aus Feldgrößen werden Zustandsgrößen Erster Handschlag: System abgrenzen Zweiter Handschlag: Systeme leben von Zustandsgrößen Thermodynamik verbindet Physik mit Chemie Masse und Stoffmenge Eine berühmte Naturkonstante: Avogadro-Zahl Grundgrößen der Physik und Chemie Druckmessgeräte: Manometer und Barometer Der thermodynamische Zustand eines Stoffes Physik und Technik: Der Normzustand eines Gases Chemie: Der Standardzustand eines Gases Eine andere berühmte Naturkonstante: Loschmidt-Zahl Das Molvolumen Kompressibilität der Fluide Ausgangssituation: Ein Festkörper Vom Festkörper zum Fluid: Hooke’sches Gesetz der Fluide Beispiel: Gesucht ist das Kompressibilitätsmodul von Wasser bei verschieden Temperaturen? Beispiel: Wie groß ist die Dichte von Wasser bei 600 bar? Ihr erster Kontakt mit dem idealen Gas Was ist eigentlich die Temperatur? 12 41 42 45 48 48 49 49 50 51 52 53 57 57 57 58 60 63 65 68 71 71 71 72 73 73 76 76 84 89 90 90 90 91 91 91 93 97 98 100 101 Inhaltsverzeichnis Teil II Stoffgesetze und ihre praktische Anwendung 105 Kapitel 4 Zustandsgleichungen der idealen Gase 107 Ideale Gase Die Modelleigenschaften der idealen Gase Geschichte der idealen Gasgleichung Heute: Die Vereinigung der Gasgesetze ist die ideale Gasgleichung Weitere praktische Formen der idealen Gasgleichung Übung macht den Meister: Beispiele Folgerungen aus der idealen Gasgleichung Die ideale Gasgleichung für relative Zustandsänderungen Die Vereinigung der Koeffizienten Was auch immer kommt: praktische Beispiele lösen 107 107 108 109 110 113 118 120 128 129 Kapitel 5 Reale Gase 131 Wie erkennen Sie ein reales Gas? Der genaue Blick auf die Realgasgleichung Entscheidungskriterium: Ideales oder reales Gas? Die Van-der-Waals-Zustandsgleichung für reale Gase Eigenschaften der Van-der-Waals-Gasgleichung Kritischer Druck und kritische Temperatur eines Gases Die kritischen Daten eines Gases berechnen 131 132 133 137 138 139 141 Kapitel 6 In der Nähe des absoluten Nullpunkts 147 Den absoluten Nullpunkt bestimmen Absolute Temperaturskala und andere Skalen Ein Maß für die Wärmeaufnahme eines Stoffes: Die Wärmekapazität Mit Wärmemengen umgehen Spezifische Wärmekapazität der Gase Molare Wärmekapazitäten der Gase Spezifische Wärmekapazität der Festkörper Spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeiten Experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen 147 150 151 152 153 155 155 157 158 159 162 13 Thermodynamik für Dummies Teil III Energieprinzip, Hauptsätze und Entropie 165 Kapitel 7 Arbeit und Wärme ist Energie 167 Was ist Arbeit? Mechanische Arbeit der Physik Die Arbeit der Thermodynamik Was ist Wärme? Die fünf thermodynamischen Systeme der Technik Kapitel 8 Energieprinzip und totale Differentiale Intensive und extensive Zustandsgrößen Etwas Besonderes: Das Energieprinzip der Thermodynamik Formen der Energie Das totale Differential einer Funktion Ein Stahlkörper dehnt sich. Wie ändert sich sein Volumen? Das totale Differential einer Funktion finden Totales Differential und Linienintegral: Passt das zusammen? Zurück zum Stahlkörper: das anschauliche Ergebnis Kapitel 9 Der erste Hauptsatz für offene Systeme Alltägliche Formen der Energie Herleitung des ersten Hauptsatzes Wärme fließt über Systemgrenzen Kein wirkliches System ist ohne Reibung Offene Systeme können nur technische Arbeit abgeben oder aufnehmen Die Energien im Eintrittsmassenstrom erfassen Die Energien im Austrittsmassenstrom feststellen Der erste Hauptsatz in differentieller Form Der erste Hauptsatz in integraler Form Der erste Hauptsatz für die Gesamtmasse eines offenen Systems Der erste Hauptsatz als Leistungsbilanz Beispiel: Wärmeübertrager in einer Luftkühlanlage Technische Arbeit Kolbenverdichter in Aktion Absolute technische Arbeit Leistung der technischen Arbeit 14 167 167 169 171 172 175 175 178 181 183 184 185 186 186 195 195 196 198 198 199 200 201 202 204 206 208 209 217 218 220 220 Inhaltsverzeichnis Kapitel 10 Der erste Hauptsatz für geschlossene Systeme 223 Herleitung des ersten Hauptsatzes für geschlossene Systeme Spezifische integrale Form des Hauptsatzes Energiebilanz des Gesamtsystems Leistungsbilanz im geschlossenen System Die thermodynamische Arbeit Zum Unterschied zwischen thermodynamischer und technischer Arbeit Ein neuer Begriff: reversible Wärme 223 225 226 227 228 229 231 Kapitel 11 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 237 Alltägliche Vorgänge und gesunder Menschenverstand Reversible Wärme und das Energieprinzip Herleitung des zweiten Hauptsatzes für reversible Prozesse Allgemeine Entropieänderung reversibler Prozesse Entropieänderung reiner Stoffe Entropieänderung irreversibler Prozesse Den zweiten Hauptsatz bei irreversiblen Prozessen prüfen Entropieänderung eines Universums Reversible und irreversible Prozesse Entropie und Unordnung Was ist Ordnung und was Unordnung? Statistische Entropie 237 239 239 244 246 248 249 253 259 260 260 261 Kapitel 12 Dritter und nullter Hauptsatz der Thermodynamik 265 Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik Die Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts Die Entropie eines Prüfkörpers am absoluten Nullpunkt Absoluter Nullpunkt: Lässt sich ein Körper auf 0 Kelvin abkühlen? Nullter Hauptsatz der Thermodynamik 265 266 266 268 269 Teil IV Thermodynamische Kreisprozesse 271 Kapitel 13 Grundlagen der Kreisprozesse 273 Eigenschaften aller Kreisprozesse Rechtsläufige Kreisprozesse mit dem Uhrzeigersinn Linksläufige Kreisprozesse entgegen dem Uhrzeigersinn Ausführungsarten der Kreisprozesse Charakteristische Prozessfunktionen der Kreisprozesse 273 275 275 276 276 15 Thermodynamik für Dummies Graphen der Prozessfunktionen Der erste Hauptsatz für beliebige Kreisprozesse Kapitel 14 Rechtsläufige Kreisprozesse Theoretische Berechnung der Nutzarbeit Rechenansatz für die abzugebende Nutzarbeit Theoretische Betrachtung zur Feststellung der abgegebenen Nutzarbeit ohne Linienintegrale lösen zu müssen Thermischer Wirkungsgrad rechtsläufiger Kreisprozesse Musterbeispiel: rechtsläufiger Carnot-Kreisprozess Die Transformation des Carnot-Prozesses in das T-s-Diagramm Weg A: Die Berechnung der Nutzarbeit im p-v-Diagramm Nutzarbeit im p-v-Diagramm als Flächen repräsentieren Schwierig: Gleichungen vereinfachen Weg B: Die Nutzarbeit im T-s-Diagramm berechnen Weg C: Nutzarbeit aus den Wärmeumsätzen berechnen Thermischer Wirkungsgrad des rechtsläufigen Carnot-Kreisprozesses Allgemeine Energieflüsse rechtsläufiger Kreisprozesse Übersicht: rechtsläufige Kreisprozesse Otto-Kreisprozess Diesel-Kreisprozess Seilinger-Kreisprozess Stirling-Kreisprozess Joule-Kreisprozess Ericson-Kreisprozess Clausius-Rankine-Kreisprozess Kapitel 15 Linksläufige Kreisprozesse Allgemeiner Energiefluss linksläufiger Kreisprozesse Wärme- und Kälteziffer Nutzarbeit bei linksläufigen Kreisprozessen Musterbeispiel: Linksläufiger Carnot-Kreisprozess Notwendig: die zuzuführende Nutzarbeit Wärmeziffer des linksläufigen Carnot-Kreisprozesses Kälteziffer des linksläufigen Carnot-Kreisprozesses Temperaturniveaus von Wärmepumpen und Kältemaschinen 16 278 280 283 283 284 285 289 290 291 292 298 300 301 303 304 304 305 305 308 309 311 312 313 314 315 315 317 318 319 319 323 324 325 Inhaltsverzeichnis Teil V Wasser und Wasserdampf 329 Kapitel 16 Wasser und Wasserdampf 331 Allgemeine Phasenänderungen Aus Eis wird heißer Dampf: isobarer Verdampfungsvorgang Neuordnung der Variablen bei Wasserdampfprozessen 3-d-Phasendiagramm des Wassers Isobarer Verdampfungsvorgang im 3-d-Phasendiagramm Die Dampfdruckkurve des Wassers Internationale Formel zur Berechnung von pS als Funktion von ϑS Zweidimensionale Phasendiagramme Das p-v-Diagramm des reinen Wassers Das p-ϑ-Diagramm des reinen Wassers Das ϑ-s-Diagramm des reinen Wassers Das h-s-Diagramm des reinen Wassers Wasserdampftafel Die Temperaturtafel (Tafel I) Die Drucktafel (Tafel II) Wasser und überhitzter Dampf (Tafel III) 331 332 334 336 339 340 340 342 342 343 344 346 347 347 352 352 Kapitel 17 Dampfprozesse 359 Aus Wasser überhitzten Dampf bereiten Gesucht: Sattdampfmasse Abkühlung einer Sattdampfmasse Idealer und realer Dampfturbinenprozess 359 361 362 365 Teil VI Chemische Thermodynamik 369 Kapitel 18 Verbrennungsreaktionen 371 Vom Wesen der chemischen Reaktionen Reaktionsenthalpie Exotherme Reaktionen Endotherme Reaktion Brennstoffe und ihre Reaktionsgleichungen Vollständige Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff Unvollständige Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff Vollständige Verbrennung von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff Vollständige Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff 371 372 372 373 374 375 376 376 377 17 Thermodynamik für Dummies Vollständige Verbrennung von Schwefel mit Sauerstoff Vollständige Verbrennungen von Kohlenstoff mit Luft Vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Vollständige Verbrennung von organischen Stoffen Kapitel 19 Erster Hauptsatz für chemisch reagierende Substanzen Herleitung des ersten Hauptsatzes für reagierende Substanzen Molare Enthalpie der Stoffe Brennwert und Heizwert Kapitel 20 Entropiefunktionen und der zweite Hauptsatz für chemische Reaktionen Molare Entropiefunktion eines Einzelgases Entropiefunktion einer Gasmischung Partialdruck einer Gasmischung Entropieänderung einer chemischen Reaktion Der zweite Hauptsatz der chemischen Thermodynamik Gesamtentropie ΔSges des Universums Gesamtentropie einer Knallgasreaktion Gibbs-Funktion oder freie Enthalpie Der chemische Lebensprozess einer Kreatur Glanz der Wissenschaft: freie Enthalpie Bedeutungen der Gibbs-Funktion Die Gibbs-Funktionen bei festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen Die Standard-Gibbs-Funktion Standard-Gibbs-Funktion ausgewählter Substanzen Das Verhalten von chemischen Reaktionen aus Sicht des zweiten Hauptsatzes 378 379 380 381 383 383 387 392 395 395 398 399 401 402 403 405 407 407 407 409 411 413 415 416 Teil VII Der Top-Ten-Teil 419 Kapitel 21 Zehn wichtige Gleichungen 421 Realgasgleichung Der erste Hauptsatz für offene Systeme Der erste Hauptsatz für geschlossene Systeme Reversible Wärme Der erste Hauptsatz für Kreisprozesse Der zweite Hauptsatz für reversible Prozesse Die spezifische Entropieänderung Gesamtentropie eines Universums Absolute Größen Leistung einer Energiegröße 18 421 421 422 422 423 423 423 424 424 425 Inhaltsverzeichnis Kapitel 22 Zehn Energiebetrachtungen 427 Die Gesichter der potentiellen Energie Die kinetische Energie Die innere Energie Die mechanische Arbeit Die Enthalpie eines Stoffes Chemisch gebundene Energie Die Wärmestrahlung eines Körpers Was ist Wärme? Gibbs-Energie und maximal mögliche Arbeit Helmholtz-Energie und maximale Arbeit 427 428 429 430 430 431 431 432 433 434 Stichwortverzeichnis 437 19 Thermodynamik für Dummies 20
