Thermodynamik für Maschinenbauer

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Energie ist die Existenzgrundlage jeder Zivilisation. Die Sicherstellung der Energieversorgung und die Erschließung neuer Energiequellen gehören zu den wichtigsten Aufgaben in einer modernen Gesellschaft.

Wolfgang Geller

2. Einheiten physikalischer Größen

Zusammenfassung

Als physikalische Größen bezeichnet man in den Naturwissenschaften qualitativ definierbare und quantitativ erfaßbare charakteristische Eigenschaften von Objekten, wie etwa das Gewicht, die Länge, die Höchstleistung eines Motors, die Temperatur eines Körpers etc..

Jede dieser Größen wird durch eine Meßvorschrift definiert. Die Messung besteht in einem Vergleich der Größe mit einer als Einheit festgelegten Größe derselben Größenart.

Wolfgang Geller

3. Systeme

Zusammenfassung

Die Objekte thermodynamischer Untersuchungen werden thermodynamische Systeme genannt. Objekte in diesem Sinne sind beispielsweise eine in einem Behälter eingeschlossene Gasmasse, die Brennkammer einer Gasturbine, ein Dieselmotor, die Dampfturbine eines Kraftwerkes, oder das komplette Kraftwerk.

Wolfgang Geller

4. Zustandsgrößen

Zusammenfassung

Die Definition eines Systems durch Festlegung seiner Grenzen ist der erste Schritt einer thermodynamischen Untersuchung. Im zweiten Schritt erfolgt die Beschreibung seiner Eigenschaften. Eigenschaft bedeutet in den technischen Naturwissenschaften eine qualitativ definierbare und quantitativ erfaßbare physikalische Größe (s. Kapitel 2).

Wolfgang Geller

5. Gleichgewichtszustände

Zusammenfassung

Gleichgewicht bezeichnet in den technischen Naturwissenschaften den Zustand von Systemen, der sich ohne Einwirkung von außen nicht ändert. Übertragen auf thermodynamische Systeme besagt diese Definition, daß ein thermodynamisches System im Gleichgewicht ist, wenn sich seine Zustandsgrössen ohne äußere Einwirkung nicht ändern.

Wolfgang Geller

6. Zustandsänderung und Prozeß

Zusammenfassung

Wird das Gleichgewicht eines thermodynamischen Systems durch äußere Einwirkungen gestört, so ändern sich seine Zustandsgrößen mit der Zeit, bis das System unter den neuen Bedingungen wieder ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht.

Wolfgang Geller

7. Zustandsgleichungen

Zusammenfassung

Der thermodynamische Zustand von Einphasensystemen wird durch die Angabe der Zahlenwerte für die thermischen Variablen Druck p, spezifisches Volumen \(\upsilon\) und Temperatur T festgelegt.

Wolfgang Geller

8. Kinetische Gastheorie

Zusammenfassung

Die klassische oder phänomenologische Thermodynamik untersucht den Ablauf thermodynamischer Prozesse im Experiment und leitet aus den Meßergebnissen Gesetze ab. Die auf solchem Weg gefundenen Beziehungen nennt man empirische Gesetze.

Wolfgang Geller

9. Arbeit

Zusammenfassung

Arbeit bezeichnet in den technischen Naturwissenschaften eine besondere Art der Energieübertragung. Sie beruht auf der Wechselwirkung zwischen einer Kraft und einem Körper. Eine Kraft verrichtet Arbeit, wenn unter ihrem Einfluß ein Körper bewegt oder deformiert wird.

Wolfgang Geller

10. Innere Energie und Enthalpie

Zusammenfassung

Unabhängig von seinem Bewegungszustand besitzt jedes System Energie, die in seinem Innern gespeichert ist und auch dann vorhanden ist, wenn das System relativ zu seinem Bezugssystem ruht. Sie besteht aus der kinetischen Energie der ungeordneten Bewegung seiner Moleküle und deren Rotations- und Schwingungsenergie. Man nennt sie innere Energie und bezeichnet sie mit dem Symbol U. Ihre Einheit ist das Joule : 1 Joule = 1 J = 1 Nm (s. a. Tabelle 2.2).

Wolfgang Geller

11. Äquivalenz von Wärme und Arbeit

Zusammenfassung

Die Stofftheorie der Wärmeerscheinungen, bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts gültige Hypothese der Thermodynamik, beruhte auf der Vorstellung, daß Wärme eine Substanz sei, die beim Kontakt zweier Körper unterschiedlicher Temperaturen vom wärmeren in den kälteren hineinfließt. Sie wurde caloricum genannt und galt als unzerstörbar. Da die Versuche, die Masse von caloricum durch Wägung zu bestimmen, ergebnislos verliefen, mußte man den Stoff außerdem als gewichtslos annehmen.

Wolfgang Geller

12. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme

Zusammenfassung

Der erste Hauptsatz ist die thermodynamische Formulierung des Satzes von der Erhaltung der Energie. Er besagt, daß Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie ist nur wandelbar in ihren Erscheinungsformen. Die Einbeziehung der inneren Energie der Materie und der Wärme erweitert den Energiesatz der Mechanik zu einem alle Energieformen einschließenden Prinzip der Energieerhaltung.

Wolfgang Geller

13. Wärme

Zusammenfassung

Mit der Verknüpfung von Wärme, innerer Energie und mechanischer Arbeit im 1. Hauptsatz (12.1) läßt sich die Energieform Wärme auch quantitativ erfassen.

Wolfgang Geller

14. Wärme und Arbeit bei reversiblen Zustandsänderungen idealer Gase

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden einige spezielle Zustandsänderungen behandelt, die bei technischen Prozessen der Energiewandlungen sehr häufig vorkommen.

Wolfgang Geller

15. Wärme und Arbeit bei polytroper Zustandsänderung

Zusammenfassung

In Bild 15.1 sind die bisher behandelten Zustandskurven des idealen Gases zusammengestellt.

Wolfgang Geller

16. Die Entropie

Zusammenfassung

Die Entropie ist eine Zustandsgröße. Sie wurde von J. E. Clausius eingeführt. Die Entropie ist ein Maß für die Irreversibilität thermodynamischer Prozesse und ein Kriterium zur Vorhersage der Richtung ihrer Abläufe.

Wolfgang Geller

17. Der erste Hauptsatz für offene Systeme

Zusammenfassung

Die Prozesse kontinuierlicher Energieumwandlung laufen in offenen Systemen ab. Kennzeichen offener Systeme ist die Materiedurchlässigkeit ihrer Grenzen.

Wolfgang Geller

18. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung

Der erste Hauptsatz ermöglicht mit seinen mathematischen Formulierungen die quantitative Beschreibung der Umwandlungen von Energie in ihre unterschiedlichen Erscheinungsformen. Eine über das Prinzip der Erhaltung der Energie hinausgehende Aussage enthält er nicht. So gibt er insbesondere auch keine Auskunft über die Möglichkeit oder Unmöglichkeit oder die Grenzen von Energieumwandlungen.

Wolfgang Geller

19. Der zweite Hauptsatz und die Entropie

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird die Verknüpfung des zweiten Hauptsatzes mit den Aussagen über die Entropie am Beispiel zweier irreversibler Prozesse behandelt:

• Ein Prozeß in einem adiabaten System mit Dissipation und ein Prozeß mit Wärmeübertragung bei endlicher Temperaturdifferenz.

Wolfgang Geller

20. Darstellung von Wärme und Arbeit in Entropiediagrammen

Zusammenfassung

Die von Clausius eingeführte Entropie verknüpft mit Gl. (16.1) die bei einem reversiblem Prozeß zu- oder abgeführte Wärmemenge mit der Änderung der Entropie eines geschlossenen Systems.

Wolfgang Geller

21. Kalorische Zustandsgleichungen idealer Gasgemische

Zusammenfassung

Gemische oder Mischungen sind Substanzen, die man durch physikalische Trennverfahren wieder in ihre einzelnen Bestandteile oder Komponenten zerlegen kann. Man unterscheidet homogene und heterogene Mischungen.

Wolfgang Geller

22. Reversible Kreisprozesse

Zusammenfassung

Führt man einem thermodynamischem System Wärme zu, dann kann es seine innere Energie ändern und Arbeit verrichten. In welchem Verhältnis sich die zugeführte Wärme auf die Änderung der inneren Energie und der Arbeit aufteilt, hängt von der Zustandsänderung ab, die das System während des Wärmetransfers durchläuft.

Wolfgang Geller

23. Reversible Kreisprozesse thermischer Maschinen

Zusammenfassung

Bei der Berechnung und Bewertung der Energiewandlungsprozesse thermischer Maschinen werden reversible Prozesse zugrundegelegt, deren Zustandsänderungen denen der tatsächlichen irreversiblen Prozesse möglichst gut angepaßt sind. Als Arbeitsfluid wird ideales Gas angenommen. Die Verbrennung wird durch eine Wärmezufuhr ersetzt.

Wolfgang Geller

24. Irreversible Fließprozesse

Wolfgang Geller

25. Irreversible Prozesse in thermischen Maschinen

Zusammenfassung

Aufbau und Arbeitsweise der einfachen Gasturbinenanlage wurden bereits in Kapitel 23.2.1 beschrieben. Bei der Berechnung des thermischen Wirkungsgrades hatten wir als idealisierten Vergleichsprozeß den Joule-Prozeß zugrunde gelegt und das Arbeitsfluid als in geschlossenem Kreislauf zirkulierend angenommen.

Wolfgang Geller

26. Strömungsprozesse in Düsen und Diffusoren

Zusammenfassung

Düsen und Diffusoren sind Strömungskanäle mit veränderlichem Querschnitt. Sie stellen offene Systeme dar, die von Fluiden ohne Arbeitstransfer ( w _t = 0 ) durchflossen werden. Fließprozesse ohne Arbeitsabgabe werden Strömungsprozesse genannt. Wegen der meist hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann man den Wärmeaustausch mit der Umgebung vernachlässigen und Düsen und Diffusoren als adiabate Systeme behandeln.

Wolfgang Geller

27. Exergie und Anergie

Zusammenfassung

Das Energieerhaltungsprinzip des 1. Hauptsatzes besagt, daß Energie weder vernichtet noch produziert werden kann.

Wolfgang Geller

28. Wärmeerzeugung durch Verbrennung

Zusammenfassung

Die zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie benötigten Wärmemengen entstammen unterschiedlichen Wärmequellen.

Wolfgang Geller

29. Repetitorium

Wolfgang Geller

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