Thermo
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Thermo E i n e Einführung i n die G r u n d l a g e n u n d ihre technischen A n w e n d u n g e n Von Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr o. Professor und Direktor des Instituts für Tliermodynamik der Teclinischen Hochschule Braunschweig Zweite umgearbeitete u n d erweiterte Auflage Mit 324 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 86 Beispielen i m Text Springer-Verlag B e r l i n / Heidelberg / New Y o r k 1966 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Grundlagen Seite 1.1 Thermodynamik 1 1.11 Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik 1 1.12 Was ist Thermodynamik ? 7 1.2 System und Zustand 8 1.21 Das thermodynamische System 8 1.22 Gleichgewichtszustände und Zustandsgrößen 10 1.23 Intensive, extensive, spezifische und molare Zustandsgrößen . . . 13 1.24 Einfache Systeme 15 1.3 Temperatur 16 1.31 Das thermische Gleichgewicht 16 1.32 Kullter Hauptsatz und Temperatur 17 1.33 Thermometer und empirische Temperaturskalen 18 1.34 Die Temperaturskala des idealen Gasthermometers. Celsius-Skala . 20 1.35 Die thermische Zustandsgieichung 23 1.4 Der thermodynamische Prozeß 1.41 Prozeß und Zustandsänderung 1.42 Nichtstatische und quasistatische Zustandsänderungen 1.43 Natürliche Prozesse 1.44 Reversible und irreversible Prozesse 1.45 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik als Prinzip der Irreversibilität 1.46 Quasistatische Zustandsänderungen und irreversible Prozesse . . . 1.47 Stationäre Füeßprozesse i n offenen Systemen 1.48 Der Impulssatz 25 25 27 29 30 32 32 33 36 2. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Arbeit 2.11 Mechanische Arbeit und mechanische Energie 2.12 Volumenänderungsarbeit 2.13 Reibungsarbeit 2.14 Arbeit bei reversiblen und irreversiblen Prozessen einfacher Systeme 2.15 Arbeit bei nicht einfachen Systemen 40 40 43 46 48 50 2.2 Der 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 62 52 55 68 62 63 64 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Innere Energie Wärme Formulierungen des 1. Hauptsatzes für geschlossene Systeme . . . Innere Energie, Wärme und Arbeit Die kalorische Zustandsgieichung Die kalorische Zustandsgieichung idealer Gase 2.3 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme 2.31 Technische Arbeit und Leistung 2.32 Der 1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse 66 66 67 Inhaltsverzeichnis X 2.33 Instationäre Prozesse in offenen Systemen. Strömungsenergie . . . 2.34 Technische Arbeit und Reibungsarbeit 2.35 Enthalpie 2.4 Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse 2.41 Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse 2.42 Kreisprozesse mit stationär umlaufendem Medium 2.43 Die Wärmekraftmaschine 2.44 Der Camot-Prozeß Seite 72 75 79 82 82 83 85 86 3. Der 2. Hauptsatz der Tliermodynamik 3.1 Reversible und irreversible Prozesse 3.11 Verschiedene Formulierungen des Prinzips der Irreversibihtät. . . 3.12 Bedingungen für reversible Prozesse. Innere und äußere Reversibilität 3.13 Reversible und irreversible Prozesse adiabater Systeme 92 92 93 95 3.2 Entropie und thermodynamische Temperatur 3.21 Die quantitative Formulierung des 2. Hauptsatzes 3.22 Die Definition der Entropie 3.23 Eigenschaften der Entropie für adiabate Systeme 3.24 Die thermodynamische Temperatur 3.25 Entropie und 2. Hauptsatz 3.26 Die Entropie nicht einfacher Systeme 99 99 lOU 102 104 106 109 3.3 Entropie und Wärme 3.31 Entropie und 1. Hauptsatz für Prozesse mit quasistatischen Zustandsänderungen 3.32 Entropieströmung und Entropieerzeugung 3.33 Das T, «-Diagramm 110 3.4 Die Anwendmg des 2. Hauptsatzes auf Energieumwandlungen: und Anergie 3.41 Die beschränkte Umwandelbarkeit der Energie 3.42 Der Einfluß der Umgebung auf die Energieumwandlungen 3.43 Exergie und Anergie 3.44 Die Berechnung von Exergie und Anergie 3.45 Die Berechnung von Exergieverlusten 3.46 Exergie—Anergie-Flußbilder. Exergetische Wirkungsgrade 3.47 Heizen und Kühlen als thermodjrnamische Grundaufgaben 110 113 113 Exergie 116 116 . . . . 119 123 127 134 . . . . 140 . . . . 146 4. Thermodynamische Eigenschaften reiner Stoffe 4.1 Die thermischen Zustandsgrößen reiner Stoffe 4.11 Diep,?),r-Fläche 4.12 4.13 4.14 4.15 Das y,r-Diagramm Die thermische Zustandsgieichung der Gasphase Die thermische Zustandsgieichung für Flüssigkeiten Die heterogenen Zustandsgebiete 4.2 Das Naßdampfgebiet 4.21 Nasser Dampf 4.22 Die Dampfdruckkurve 4.23 Dampfgehalt und spez. Volumen 4.24 Spez. Entropie und spez. Enthalpie 4 . 2 5 Die Gleichung von C L A T T S I U S - C L A P E Y R O N 4.26 Dampftafehi 4.3 Zustandsdiagramme realer Gase 4.31 Das y,s-Diagramm 155 155 158 159 162 162 164 164 166 167 170 172 174 175 176 Inhaltsverzeichnis XI Seite 4.32 Das i , s-Diagramm. Exergiediagramme 4.33 Das ^,t-Diagramm 4.4 Die Bestimmung der kalorischen Zustandsgrößen realer Gase 4.41 Die Enthalpie als Funktion von p und T 4.42 Die Druckabhängigkeit der spez. Wärmekapazität Cj, 4.43 Die Entropie als Funktion von p und T 4.44 Die Drosselung realer Gase 178 182 182 183 184 185 186 4.6 Der feste Zustand 4.51 Schmelzen und Erstarren 4.52 Sublimieren 4.53 Die spez. Wärmekapazität fester Körper 190 190 190 191 5. Ideale Gase, Gas- und Gas—Dampf-Gemische 5.1 Ideale Gase 6.11 Thermische und kalorische Zustandsgieichung 6.12 Die allgemeine Gaskonstante 5.13 Normzustand und Normkubikmeter 5.14 Die Molwärmen idealer Gase 5.15 Mittlere spez. Wärmekapazitäten 5.16 Isentrope Zustandsänderungen idealer Gase 193 193 194 196 196 198 200 5.2 Gemische idealer Gase 5.21 Masse- und Molanteile. Partialdrücke 201 201 5.22 Das Gesetz von D A L T O N 6.23 5.24 5.25 5.26 Partialvolume. Volumenanteüe Die kalorischen Zustandsgrößen Die Entropie des Gasgemisches Die Irreversibilität des Mischungsprozesses 203 204 206 206 209 5.3 Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft 6.31 AUgemeines 6.32 Der Sättigungsdruck des Dampfes 5.33 Der Taupunkt 5.34 Feuchte Luft 5.35 Der Wassergehalt feuchter Luft 5.36 Absolute und relative Feuchte 6.37 Das spez. Volumen feuchter Luft 5.38 Die spez. Enthalpie feuchter Luft 212 212 213 216 216 217 219 222 223 6.4 Das j,a;-Diagramm für Gas—Dampf-Gemische 5.41 Das Gebiet der ungesättigten feuchten Luft 6.42 Das Nebelgebiet 6.43 Änderung des Gesamtdrucks 6.44 i,a;-Diagramme für andere Gas—Dampf-Gemische 226 226 228/ 231 231 6. Prozesse i n offenen Systemen 6.1 Strömungsprozesse 6.11 Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr 6.12 Vemaohlässigtmg der kinetischen Energie 6.13 Erwärmung imd Abkühlung feuchter Luft 234 234 236 239 6.2 Adiabate Strömungsprozesse 6.21 Allgemeine Gleichungen 6.22 Beschleunigte Strömung. Strömungswirkungsgrade 6.23 Verzögerte Strömimg 6.24 Adiabate Rohrströmung 6.25 Der gerade Verdichtungsstoß 240 240 241 244 246 250 XII Inhaltsverzeichnis Seite G.3 Strömungsprozesse mit isentroper Zustandsänderung 6.31 Die Schallgeschwindigkeit 6.32 Querschnittsflächen bei reibungsfreier Düsen- und Diffusorströmung 6.33 Der Sonderfall des idealen Gases 6.34 Strömungszustand in einer nicht erweiterten Düse bei verändertem Gegendruck 6.35 Strömungszustand in einer erweiterten (Laval-)Düse bei verändertem Gegendruck 262 262 264 268 6.4 Mischungsprozesse 6.41 Masse-, Energie- und Entropie-Bilanzen 6.42 Mischung zweier Ströme feuchter Luft 6.43 Zusatz von Wasser und Wasserdampf zu feuchter Luft 267 267 271 273 6.0 Adiabate Arbeitsprozesse 6.51 Vernachlässigung der kinetischen Energie 6.62 Adiabate Expansion. Turbine 6.53 Arbeitsverlust bei nichtisentroper Expansion. Turbinenwirkungsgrad 6.54 Adiabate Kompression. Verdichter 6.65 Arbeitsverlust, Exergie Verlust und Reibungsarbeit 276 276 276 262 263 277 280 282 6.6 Nichtadiabate Arbeitsprozesse 286 6.61 Isotherme Verdichtung und Expansion 286 6.62 Ersatz der isothermen Verdichtung durch mehrstufige adiabate Verdichtung 288 7. Thermodyiuamik der Kälteerzeugung 7.1 Die Grundaufgabe der Kältetechnik 7.11 Kälteerzeugung bei konstanter Temperatur 7.12 Kälteerzeugung bei gleitender Temperatur 7.13 Die Kältemaschine 292 292 294 296 7.2 Die Kaltdampf-Kältemaschine 299 7.21 Kältemittel für Kaltdampf-Kältemaschinen 300 7.22 Die ümkehrung des Carnot-Prozesses 301 7.23 Der Kreisprozeß der Kaltdampf-Kältemaschine 302 7.24 Prozeßverbesserung durch Unterkühlung des kondensierten Kältemittels 308 7.3 Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen 7.31 Die Gaskältemaschine mit adiabater Entspannung 7.32 Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung 7.33 Die Philips-Gaskältemaschine 313 313 317 320 8. Verbrennungsprozesse 8.1 Allgemeines 321 8.2 Mengenberechntmgen bei vollständiger Verbrennung 8.21 Die Verbrennungsgleichungen 8.22 Gemische chemisch einheitlicher Stoffe 8.23 Feste und flüssige Brennstoffe 8.24 Feuerungskontrolle durch Abgasanalyse 323 323 324 326 328 8.3 Heizwert und theoretische Verbrennungstemperatur 8.31 Der Heizwert der Brennstoffe 8.32 Oberer und unterer Heizwert 8.33 Heizwert von Gemischen und Verbindungen 8.34 Das Q,^Diagramm und die Temperaturabhängigkeit des Heizwertes 8.36 Die theoretische Verbrennungstemperatur 329 329 331 332 334 336 Inhaltsverzeichnis XIII Seite 8.4 Die thermodynamische Bewertung der Verbrennungsprozesse 8.41 Die reversible cliemische Reaktion 8.42 Absolute Entropien. NBKNSTsches Wärmetheorem 8.43 Die Exergie der Brennstoffe 8.44 Das S, S-Diagramm für Verbrenirangsprozesse 8.46 Der Exergieverlust bei der adiabaten Verbrennung 9. Thermodynamik der W ä r m e - und 339 339 341 345 351 366 Verbrennungs-Kraftanlagen 9.1 Die Umwandlung chemischer und nuklearer Energie in Nutzarbeit und elektrische Energie 9.11 Übersicht über die Umwandlungsverfahren 9.12 Wärme- und Verbrennungs-Kraftanlagen 9.2 Die einfache Dampfkraftanlage 9.21 Der Dampferzeuger . 9.22 Der Kreisprozeß des Wassers 9.23 Der exergetische Gesamtwirkungsgrad und seine Begrenzung durch die Endnässe 359 359 362 364 364 370 376 9.3 Verbesserungen der einfachen Dampfkraftanlage 9.31 Zwischenüberhitzung 9.32 Kombinierte Luft- und Speisewasservorwärmung 9.33 Das moderne Dampfkraftwerk 379 379 382 387 9.4 Gaskraftanlagen 9.41 Die geschlossene Gasturbinenanlage 9.42 Die offene Gasturbinenanlage 9.43 Verbesserungen des Gasturbinenprozesses 9.44 Das Gasturbinen-Strahltriebwerk 387 388 393 398 401 10. A n h a n g : Größen und Einheiten der Thermodynamik. Tabellen 10.1 Größen und Größengleichungen 10.11 Dimension, Größe und Einheit 10.12 Größengleichungen 10.13 Grundgrößenarten und Grundeinheiten 10.14 Masse, Gewicht und Gewichtskraft 10.15 Die Stoffmenge und ihre Maße 40B 406 407 410 413 415 10.2 Einheitensysteme 10.21 Einheiten und Einheitensysteme 10.22 Das Internationale Einheitensystem 10.23 Das Technische Emheitensystem 10.24 Einheitentafehi 418 418 420 422 424 10.3 Tabellen 10.31 Allgemeine Angaben 10.32 Eigenschaften idealer Gase y . . . . 10.33 Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf 10.34 Stoffwerte für die Berechnung von Verbreimungsprozessen . . . 127 427 427 434 436 Sachverzeichnis 439
