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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch stellt ausführlich und gut strukturiert die wesentlichen wissenschaftlichen Grundlagen der Thermodynamik für eine praxisorientierte Lehre dar. Es vermittelt analytisch zuverlässiges Wissen mit Blick auf eine ingenieurtechnische Anwendung und liefert den Schlüssel zum schnellen Verständnis der Kraft- und Arbeitsmaschinen. In der aktuellen Auflage wurde die Anzahl von Diagrammen und Stoffwert-Tabellen deutlich erhöht, um die praktische Handhabung noch weiter zu verbessern. Viele Beispiele werden jetzt ausführlicher beschrieben, um dem Lernenden das Nachvollziehen zu erleichtern. Neu sind auch dimensionslose Gleichungen zur Berechnung der Nußelt-Zahl sowie ein Formelzeichen-Verzeichnis.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Thermodynamische Grundbegriffe

Zusammenfassung
In Kapitel 1 wird zunächst auf die verschiedenen Anwendungsgebiete der Thermodynamik eingegangen; dabei wird ihre Bedeutung für die Energietechnik, die Heizungstechnik, die Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen, die Kältetechnik sowie die Lüftungs- und Klimatechnik hervorgehoben. Weiter werden der Systembegriff erörtert, die Begriffe Zustand, Zustandsgrößen und Zustandsänderungen erklärt, die thermischen Zustandsgrößen Druck p, Volumen V und Temperatur t bzw. T diskutiert, die thermische Zustandsgleichung in allgemeiner Form vorgestellt und die Bezeichnungen isochore Zustandsänderung, isobare Zustandsänderung und isotherme Zustandsänderung angesprochen. Schließlich wird auf die Bezeichnungen Prozess und Prozessgröße eingegangen.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

2. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Kapitel 2 befasst sich mit dem Prinzip von der Erhaltung der Energie – dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Dieses Prinzip besagt, dass in einem abgeschlossenen System bei Energieumwandlungsvorgängen die Summe aller Energien konstant bleibt. Hierzu werden die folgenden Energien näher behandelt: mechanische Energie (potentielle Energie, kinetische Energie), Arbeit und thermische Energie (innere Energie, Wärme, Enthalpie). Als Erscheinungsformen der Arbeit werden die Volumenänderungsarbeit, die Kupplungsarbeit, die Verschiebearbeit, die Druckänderungsarbeit und die Reibungsarbeit erörtert. Darauf werden Energiebilanzen für das geschlossenes System und das offene System erstellt und anhand von Beispielen näher ausgeführt. Weiter werden die Wärmekapazität C sowie die spezifische Wärmekapazität c für Feststoffe und Flüssigkeiten sowie für Gase eingeführt.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

3. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
In Kapitel 3 wird der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ausführlich behandelt. Hierzu werden reversible und irreversible Prozesse erörtert, quasistatische Zustandsänderungen angesprochen und im Einzelnen die folgenden irreversiblen Vorgänge beleuchtet: Reibung, Temperaturausgleich, Druckausgleich, Drosselung. Weiter wird die Entropie S als Zustandsgröße hergeleitet, mit der das Ausmaß der Irreversibilität einer Zustandsänderung quantifiziert werden kann. Dazu wird das Hilfsmittel des reversiblen Ersatzprozesses herangezogen und zunächst für adiabate Prozesse genutzt, um später erweitert auch auf nichtadiabate Prozesse angewandt zu werden. Mit der Entropie S als Zustandsgröße wird die Entropieänderung der irreversiblen Vorgänge Reibung, Temperaturausgleich, Druckausgleich und Drosselung berechnet. Um das Wesen der Entropie nachvollziehen zu können, wird die Entropie u. a. als Maß für die Unordnung eines Systems gedeutet. Isentrope Zustandsänderungen werden erörtert und Entropiediagramme allgemein eingeführt. Abschließend wird auf das Kreisintegral im Sinne eines mathematischen Werkzeugs hingewiesen, um über den reversiblen Carnot-Prozess die thermodynamische Temperatur T herzuleiten.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

4. Ideale Gase

Zusammenfassung
Das Kapitel 4 befasst sich mit idealen Gasen. Mithilfe der Gesetze von Boyle und Mariotte, von Gay-Lussac und des idealen Gasthermometers werden die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases in den Formen pV = mRT und pV = nR m T hergeleitet und die spezielle Gaskonstante R sowie die allgemeine Gaskonstante R m eingeführt. Weiter werden die kalorischen Zustandsgleichungen des idealen Gases vorgestellt, mit denen bei Zustandsänderungen die Differenz der inneren Energien, der Enthalpien und der Entropien berechnet werden können. Zusätzlich werden alle relevanten Berechnungsgleichungen für die speziellen Zustandsänderungen isochore Zustandsänderung, isobare Zustandsänderung, isotherme Zustandsänderung und isentrope Zustandsänderung zusammengestellt. Hiernach wird mit der polytropen Zustandsänderung die verallgemeinerte Zustandsänderung eingeführt; auch für sie werden alle relevanten Berechnungsgleichungen hergeleitet. Weiter wird gezeigt, dass für Zustandsänderungen des idealen Gases die Änderungen der spezifischen thermischen Energien (spezifische innere Energie, spezifische Enthalpie), die spezifische reversible Wärme q rev sowie die spezifische Volumenänderungsarbeit w V und die spezifische Druckänderungsarbeit w p im T,s-Diagramm grafisch dargestellt werden können. In einem ausführlichen weiteren Unterkapitel wird auf Mischungen idealer Gase eingegangen, dabei werden die Berechnung von Gemisch-Zustandsgrößen aus den Zustandsgrößen der jeweiligen Komponenten sowie die Erfassung von Zustandsänderungen von Mischungen idealer Gase dargestellt.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

5. Reale Gase und Dämpfe

Zusammenfassung
Alle reinen Stoffe können in den drei Phasen fest, flüssig und gasförmig auftreten. Beim Phasenübergang sind als Zustandsgebiete das Nassdampfgebiet, das Schmelzgebiet und das Sublimationsgebiet von Belang. Es werden Beziehungen für die Erfassung von Zustandsänderungen in den drei technisch wichtigen Gebieten Flüssigkeitsgebiet, Nassdampfgebiet sowie Gasgebiet angegeben. Im Gasgebiet werden die Zustände des realen Gases von denen des idealen Gases unterschieden. Weiter werden zur Veranschaulichung der Eigenschaften von reinen Stoffen u. a. das p,V-Diagramm, das T,s-Diagramm, das h,s-Diagramm und das lg p,h-Diagramm vorgestellt. Zur Wiedergabe der Eigenschaften idealer und realer Gase sowie von Flüssigkeiten dienen thermische Zustandsgleichungen der Form F(p,V,T). Als einfachste dieser Gleichungen wird die van der Waalssche Gleichung behandelt; Weiterentwicklungen wie z. B. die Gleichungen von Redlich, Kwong und Soave, von Beattie und Bridgman sowie von Benedict, Webb und Rubin sowie die Virialgleichung werden vorgestellt. Weiter werden Beziehungen hergeleitet, mit denen sich aus der Kenntnis der Abhängigkeit der spezifischen isochoren bzw. isobaren Wärmekapazität c v bzw. c p des idealen Gases von der Temperatur T sowie mithilfe einer thermischen Zustandsgleichung u. a. die spezifische innere Energie u, die spezifische Enthalpie h und die spezifische Entropie s für reale Gase und Flüssigkeiten berechnen lassen. Auch wird die Clausius-Clapeyronsche Gleichung hergeleitet. Weiter werden die spezifische freie Energie f und die spezifische freie Enthalpie g als Zustandsgrößen eingeführt und ein g,s-Diagramm für H2O vorgestellt.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

6. Thermische Maschinen

Zusammenfassung
In Kapitel 6 werden ideale sowie wirkliche thermische Maschinen behandelt. Mit Kraftmaschinen wird thermische Energie teilweise in mechanische Energie umgewandelt; mit Arbeitsmaschinen wird bei niedrigerer Temperatur vorliegende thermische Energie mithilfe mechanischer Energie in thermische Energie umgewandelt, die bei höherer Temperatur vorliegt. Mithilfe geeigneter Zustandsgrößen und Bilanzen werden einstufige sowie mehrstufige Verdichtungs- und Entspannungsvorgänge in idealen Strömungs- und Verdrängermaschinen betrachtet. Daneben werden die entsprechenden Vorgänge in wirklichen Maschinen behandelt. Schließlich wird auf unterschiedliche Wirkungsgraddefinitionen eingegangen, mit denen die Wirksamkeit von Maschinen erfasst wird.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

7. Kreisprozesse

Zusammenfassung
In Kapitel 7 wird eine allgemeine Theorie der Kreisprozesse formuliert; sie gilt für rechtslaufende Kreisprozesse, bei denen thermische Energie teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird, und für linkslaufende Kreisprozesse, bei denen thermische Energie mit niedrigerer Temperatur mithilfe mechanischer Energie in thermische Energie mit höherer Temperatur übergeführt wird. Anhand von Flächenbetrachtungen im p,V-Diagramm und im T,S-Diagramm wird für ideale Kreisprozesse aufgezeigt, wie mithilfe der Prozessgrößen Volumenänderungsarbeit W V , Druckänderungsarbeit W p , reversibler Wärme (Entropieänderungswärme) Q S und Temperaturänderungswärme Q T die Kreisprozessarbeiten W Kreis bzw. (W e ) id veranschaulicht werden können; weiter werden die zugehörigen Gleichungen angegeben. Auf die Auswirkungen irreversibler Vorgänge bei wirklichen Kreisprozessen wird eingegangen. Als ideale rechtslaufende Prozesse mit idealen Gasen werden der Carnot-Prozess, der Seiliger-Prozess mit seinen Ausformungen als Otto-Prozess und Diesel-Prozess, der Joule-Prozess, der Ericsson-Prozess, der Stirling-Prozess, der einfach-polytropische Carnot-Prozess und der Gasexpansions-Prozess berechnet; auch wird als idealer Prozess mit einem realen Fluid der Clausius-Rankine-Prozess berechnet. Zusätzlich wird die vergleichende Bewertung von rechtslaufenden Kreisprozessen ausführlich behandelt. Dabei werden – neben dem thermischen und dem exergetischen Wirkungsgrad – mit den mechanischen und den thermischen Anstrengungsverhältnissen neue Bewertungskenngrößen eingeführt, die für die oben genannten rechtslaufenden Kreisprozesse berechnet und in Diagrammen dargestellt werden. Schließlich werden als ideale linkslaufende Prozesse mit idealen Gasen der Carnot-Prozess, der Joule-Prozess und der Gasexpansions-Prozess berechnet; auch wird als idealer Prozess mit einem realen Fluid der Kompressions-Kaltdampfprozess behandelt.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

8. Exergie

Zusammenfassung
In Kapitel 8 wird die Exergie, die auch als technische Arbeitsfähigkeit bezeichnet wird, als thermodynamische Größe eingeführt; in ihr werden die Aussagen der ersten und des zweiten Hauptsatzes zusammengefasst. Die Exergie einer Energie erhält man als Nutzarbeit bei reversiblen Zustandsänderungen unter Mitwirkung der Umgebung. Gleichungen u. a. für die Exergie der reversiblen Wärme Q rev , der Volumenänderungsarbeit W V , der Druckänderungsarbeit W p , der inneren Energie U und der Enthalpie H sowie für weitere Zustands- und Prozessgrößen werden hergeleitet. Auch werden für den – nicht als Exergie umwandelbaren – Anteil der jeweiligen Energiearten, der als Anergie bezeichnet wird, entsprechende Gleichungen angegeben. Weiter werden das p,V-Diagramm und das T,S-Diagramm herangezogen, um die Exergie und die Anergie der jeweiligen Energiearten als Flächen darzustellen. Schließlich werden unterschiedliche exergetische Wirkungsgrade vorgestellt, mit denen sich die Effizienz von Energieumwandlungsvorgängen berechnen lässt.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

9. Wärmeübertragung

Zusammenfassung
In Kapitel 9 werden mit der Wärmestrahlung, der Wärmeleitung und dem Wärmeübergang verschiedene Formen der Wärmeübertragung behandelt; als Gesamtvorgang aus Wärmeleitung und Wärmeübergang wird der Wärmedurchgang thematisiert. Die Zusammenhänge bei der Wärmestrahlung sowie beim Strahlungsaustausch werden in Gleichungsform beschrieben. Weiter wird auf die eindimensionale stationäre und instationäre Wärmeleitung eingegangen. Für die Erfassung der Vorgänge bei der Konvektion bzw. des Wärmeübergangs wird die Ähnlichkeitstheorie zu Hilfe genommen; dabei wird auf die Reynolds-Analogie und die Prandtl-Analogie zurückgegriffen. Weiter werden mithilfe der Ähnlichkeitstheorie empirisch ermittelte Potenzansätze für verschiedene, technisch wichtige Fälle des Wärmeübergangs angegeben. Auch werden die Berechnungsgleichungen für den Wärmedurchgang vorgestellt; dabei wird u. a. auf die Betriebscharakteristik eingegangen. Weiter wird die rechnerische Erfassung von Vorgängen an berippten Wärmeübertragungsflächen vorgestellt. Zudem werden – als Formen von Trennwandwärmeübertragern – der Gleichstrom-, der Gegenstrom- und der Kreuzstromwärmeübertrager behandelt; auch wird die Wärmeübertragung mit Phasenübergang beschrieben. Schließlich wird die Auslegung von Wärmeübertragern ausführlich beschrieben, wobei auf die Betriebscharakteristik zurückgegriffen wird. Ferner wird die Wärmelängsleitung in der ebenen Trennwand von Wärmeübertragern untersucht.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

10. Feuchte Luft

Zusammenfassung
In Kapitel 10 werden zunächst die Zustandseigenschaften feuchter Luft insbesondere mithilfe des Feuchtegrades (Feuchtigkeitsgehaltes, Wassergehaltes) x erfasst und damit die spezifische Enthalpie h, das spezifische Volumen v sowie die Dichte ρ dargestellt. Weiter werden Zustandsänderungen von feuchter Luft bei Temperaturänderung, Befeuchtung und Entfeuchtung sowie bei der Mischung zweier Feuchtluftmengen rechnerisch erfasst. Diese Zustandsänderungen werden zusätzlich auch im Mollier-h,x-Diagramm veranschaulicht und mithilfe dieses Diagramms quantifiziert. Weiter werden das adiabate Verdunstungsmodell vorgestellt, der Verdunstungskoeffizient σ eingeführt, geeignete Energiebilanzen beschrieben und die Lewissche Beziehung hergeleitet. Verschiedene Wasseroberflächenzustände in Wechselwirkung mit dem Zustand eines darüber hinwegströmenden Luftstroms werden erfasst und die dadurch hervorgerufene Verdunstung bzw. der Tauniederschlag beschrieben. Schließlich wird auf die Wasserdampfdiffusion durch Wände eingegangen.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

11. Verbrennung

Zusammenfassung
Zu Beginn des Kapitels 11 werden unterschiedliche feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in unterschiedlichen Anteilen enthalten, allgemein behandelt. Zunächst wird die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen mithilfe ihrer Zusammensetzung in Raumanteilen dargestellt, sodann wird die Verbrennung von flüssigen und festen Brennstoffen mithilfe ihrer Zusammensetzung in Massenanteilen erfasst. Als – auf das Normvolumen bzw. auf die Masse des Brennstoffs bezogene – Größen werden der Mindestsauerstoffbedarf, der Mindestluftbedarf sowie die tatsächlich zugeführte Luftmenge berechnet, wozu u. a. das Luftverhältnis λ dient. Weiter werden als – gleichermaßen auf das Normvolumen bzw. auf die Masse des Brennstoffs bezogene – Größen die trockene und die feuchte Mindestverbrennungsgasmenge sowie die tatsächliche trockene und feuchte Verbrennungsgasmenge dargestellt. Auch wird auf die Zusammensetzung des Verbrennungsgases eingegangen; weiter werden zur Veranschaulichung des Verbrennungsgaszustandes sowie zur Verbrennungskontrolle das Bunte-Dreieck sowie das Ostwald-Dreieck für verschiedene Brennstoffe angegeben. Es werden der Ablauf der Verbrennung beschrieben sowie die vollkommene und die unvollkommene Verbrennung untersucht. Auf den Taupunkt von Verbrennungsgasen und den Schornsteinzug wird verwiesen. Weiter wird auf Brennwert und Heizwert sowie auf die theoretisch erreichbare Verbrennungstemperatur von Brennstoffen eingegangen. Auch wird das Diagramm von Rosin und Fehling vorgestellt.
Ernst Doering, Herbert Schedwill, Martin Dehli

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