Aufgaben zur angewandten technischen Thermodynamik

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Einführung

   Sven Linow

   Zusammenfassung

   Die Thermodynamik ist kein einfaches Fach. Zumeist wird sie erst in einem höheren Semester gelehrt, scheint dann ganz neue Anforderungen und Konzepte einzuführen, benutzt viele neue Begriffe und verlangt ernsthaften Einsatz beim Lernen. Gerade beim Einstieg gibt es sehr viele Möglichkeiten, zu straucheln oder eines der vielen grundlegenden Konzepte erst einmal nicht verstanden zu haben.

3. Aufgaben

   1. Frontmatter

   2. 2. Thermodynamische Grundlagen

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      An den Grundlagen führt kein Weg vorbei. Energie und Entropie, Arbeit verrichten und Wärme übertragen, ein System und sein Zustand sowie Zustandsänderungen sind Kernbegriffe, die wir benötigen, um zu verstehen, was die Thermodynamik ausmacht oder wofür wir ihre Methoden nutzen können. In diesem Kapitel trainieren Sie die Fähigkeit, thermodynamische Grundlagen zu erläutern, und üben das Rechnen mit zentralen Gleichungen. Die Aufgaben, die benötigten Gleichungen und die verwendeten Symbole beziehen sich auf Teil I, „Grundlagen“, des Lehrbuches. Die hier vermittelten Inhalte ziehen sich durch alle anderen Themen und Aspekte der Thermodynamik und werden dort immer wieder benötigt.

   3. 3. Homogene Stoffe beschreiben

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Dieses Kapitel enthält Übungen zu grundlegenden Beschreibungen homogener Stoffe, insbesondere von Fluiden. Homogen bedeutet hier, dass es sich nicht um Gemische mehrerer Stoffe, sondern nur um einen Stoff, also z. B. reines Eisen oder reines Wasser, handelt. Es geht hier darum, den Umgang mit Phasen- und Stoffwertdiagrammen sowie Siedetabellen zu erlernen. Dies sind die relevanten Werkzeuge und Datensammlungen, mit denen wir die Zustandsgrößen realer Fluide erhalten. Als zweites wird hier der Umgang mit dem Modell des idealen Gases vertieft. Die Übungen dieses Kapitels beziehen sich auf Kapitel 6, „Stoffe beschreiben“, und Kapitel 7, „Zustandsänderungen des idealen Gases“ in Teil II, „Stoffe beschreiben“, des Lehrbuches.

   4. 4. Gemische

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      In diesem Kapitel finden Sie Übungen zu Werkzeugen, die für das Beschreiben von Gemischen eingesetzt werden. Die Inhalte dieses Kapitels beziehen sich auf Kapitel 8, „Gemische“, in Teil II, „Stoffe beschreiben“, des Lehrbuches. Im Vordergrund stehen Zustandsgrößen, mit denen Gemische beschrieben werden, also Massenanteile, Volumenanteile, Stoffmengenanteile, sowie die Mischungsentropie. Dabei geht es darum, diese zu ermitteln, ineinander umzurechnen und eigentlich damit sinnvolle Probleme zu lösen. Da wir Gemische oft im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen nutzen, hierfür aber an dieser Stelle noch nicht die notwendigen Konzepte eingeführt wurden, finden Sie in Kapitel 7, „Chemische Reaktionen“, dieses Buches Aufgaben, bei denen Gemische und chemische Reaktionen in Kombination auftreten.

   5. 5. Feuchte Luft

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      In diesem Kapitel vertiefen Sie konkret die Grundlagen zum Beschreiben von feuchter Luft in technischen Anwendungen und in erweiterten Fragestellungen. Die Übungen dieses Kapitels beziehen sich auf Kapitel 9, „Feuchte Luft“, in Teil II, „Stoffe beschreiben“, des Lehrbuches.

   6. 6. Vergleichsprozesse und Kreisprozesse

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Dieses Kapitel enthält Übungen zum Aneignen von Vergleichsprozessen. Damit werden Motoren und Antriebe, wie Otto-Motor, Diesel-Motor, Gasturbine und Dampfturbine, aber auch Kältemaschine und Wärmepumpe beschrieben. Vergleichsprozesse stellen in vielen Thermodynamik-Veranstaltungen das zentrale Lernziel dar – unter anderem, weil sie sehr schöne kompetenzorientierte Prüfungen ermöglichen. Spezialformen und komplexere Aufbauten spezieller Anlagen werden in diesem Kapitel ausgeklammert. Der Fokus liegt darauf, die wesentlichen Vergleichsprozesse aktiv anwenden zu können. Die Übungen dieses Kapitels beziehen sich auf Kapitel 11, „Vergleichsprozesse des idealen Gases“ und Kapitel 12, „Kreisprozesse mit Phasenwechsel“, in Teil III, „Kreisprozesse“, des Lehrbuches.

   7. 7. Chemische Reaktionen

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      In der technischen Thermodynamik wird nur ein Ausschnitt aus dem sehr großen Themenbereich der chemischen Reaktionen betrachtet. Dieses Kapitel bietet Lernmaterial für diesen Themenausschnitt, der sich auf die Verbrennungsrechnung sowie die dafür notwendigen Grundlagen der Chemie beschränkt. Die Inhalte dieses Kapitels beziehen sich auf Kapitel 13, „Einige Grundlagen zur Chemie“, und Kapitel 14, „Technische Verbrennung“, in Teil IV, „Chemische Reaktionen“, des Lehrbuches.

   8. 8. Wärmeübertragung

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Die Themen dieses Kapitels sind zum einen die Wärmeübertragung, wozu die Wärmeleitung, die konvektive Wärmeübertragung in strömenden Fluiden sowie der Wärmetransport mittels Strahlung gehören, und zum anderen der Wärmedurchgang. Die Übungen dieses Kapitels beziehen sich auf Teil V, „Wärmeübertragung“, des Lehrbuches.

4. Lösungen

   1. Frontmatter

   2. 2. Thermodynamische Grundlagen

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      In dieser Problemstellung werden einige grundlegende Zustandsgrößen verwendet. Es geht hier vorrangig um das Umrechnen von Zustandsgrößen in andere Bezugsrahmen.

   3. 3. Homogene Stoffe beschreiben

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Ein Lernziel dieser Problemstellung ist, den Unterschied zwischen Ergebnissen aus der Anwendung der Zustandswerte des realen Gases und der Näherung des idealen Gases zu erfahren. Dazu ist es notwendig, den Prozess in einem geeigneten Stoffwerte-Diagramm abzubilden und relevante Enthalpien abzulesen.

   4. 4. Gemische

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      In dieser Problemstellung liegt ein Gemisch aus Elementen vor. Metalle als Gemische, insbesondere als Legierungen, beschreiben wir über die Elemente und ihre Massenanteile.

   5. 5. Feuchte Luft

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Diese Problemstellung ist insbesondere eine weitere Übung für die Nutzung des h-x Diagramms. Wichtig ist, sich einen Überblick über das Diagramm zu verschaffen sowie die Zustände und Zustandsänderungen jeweils einzutragen. In Bild 5.1 finden Sie ein h-x Diagramm mit den im Lösungsvorschlag verwendeten Zustandsänderungen.

   6. 6. Vergleichsprozesse und Kreisprozesse

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Thema dieser Problemstellung ist eine intensive Diskussion des Vergleichsprozesses. Allerdings benötigen wir zuerst einige grundlegende Daten, weshalb der Vergleichsprozess nicht sofort aufgestellt werden kann.

   7. 7. Chemische Reaktionen

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Diese Problemstellung ist ziemlich eindeutig formuliert. Sie führt erst einmal in recht einfacher Art und Weise durch die relevanten Methoden.

   8. 8. Wärmeübertragung

      Sven Linow

      Zusammenfassung

      Diese Problemstellung ist so gestaltet, dass Sie nur die Wärmeleitung berücksichtigen müssen. Dabei werden Ihnen sehr viele Möglichkeiten gegeben, die Gleichungen der Wärmeleitung anzuwenden. Dieses Beispiel wurde von einer interessanten Bachelorarbeit inspiriert.

5. Backmatter