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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch vermittelt die zum Verständnis realer thermischer Prozesse erforderlichen Kenntnisse mit ausführlichen Texten, vielen aussagekräftigen Abbildungen und durchgerechneten Beispielen. Besonderer Wert wird auf die Fachsprache gelegt. Zahlreiche Fragen und Übungen mit Lösungen unterstützen das Selbststudium. Das ausführliche Sachwortverzeichnis deutsch-englisch hilft zuverlässig beim Finden von Textstellen. Auf der Verlagshomepage beim Buch stehen ein interaktiv nutzbares Glossar und das Sachwortverzeichnis englisch-deutsch zur Verfügung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Die Thermodynamik für Ingenieure ist die wissenschaftliche Basis für eine ganze Reihe technischer Aufgaben:
• Energieumwandlung in Wärmekraftwerken mit Dampf- und Gasturbinen
• Energieumwandlung in Verbrennungsmotoren und Gasverdichtern
• Kühlung, Klimatisierung, Heizung
• Wärmeübertragung und Wärmedämmung
• Thermische Herstellungsverfahren
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

2. Die Systeme und ihre Beschreibung

Zusammenfassung
Die Thermodynamik baut auf Beobachtung auf. Die Gegenstände oder Bereiche der Beobachtung werden als thermodynamische Systeme bezeichnet.
Für eine genaue Beobachtung ist es notwendig, ein System von seiner Umgebung durch eine Grenze zu trennen.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

3. Stoffeigenschaften

Zusammenfassung
Für den Ablauf thermodynamischer Prozesse spielen Stoffeigenschaften eine erhebliche Rolle. Zu diesen Eigenschaften gehören die Ausdehnung bei steigender Temperatur sowie die Übergänge von einem festen in einen flüssigen Zustand und von diesem in einen dampfförmigen Zustand. Mit der Beschreibung von Stoffeigenschaften werden gleichzeitig einige typische Arbeitsmethoden und Hilfsmittel der Thermodynamik vorgestellt.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

4. Energien

Zusammenfassung
Die Energieerhaltung ist eine der tragenden Säulen der Physik und der Ingenieurwissenschaften. In diesem Kapitel werden die verschiedenen Energieformen eingeführt sowie entsprechende Bilanzen aufgestellt. Ferner wird zwischen den Zustandsgrößen welche den Energieinhalt beschreiben und dem Energietransfer durch Prozesse unterschieden.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

5. Prozesse

Zusammenfassung
In Kapitel 4 wurden die Energiebilanzen eingeführt. In diesem Kapitel werden die Prozesse diskutiert mit denen eine Umwandlung von Energieformen beschrieben werden kann. Dabei steht im Vordergrund, welche Umwandlungen möglich sind und wie diese ablaufen können. In diesem Zusammenhang wird die Größe Entropie eingeführt und verwendet.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

6. Zustandsgleichungen Idealer Gase

Zusammenfassung
Intensive und extensive Zustandsgrößen sind über Zustandsgleichungen miteinander verknüpft. Über alle Zustände hinweg lassen sich für diese Zustandsgleichungen keine allgemeingültigen algebraischen Formulierungen angeben und die Zusammenhänge werden in Tabellenwerken, Diagrammen oder empirischen Gleichungen wiedergegeben. Bei idealen Gasen lässt sich im Bereich moderater Drücke die thermische Zustandsgleichung als einfache Gleichung formulieren. Ähnliches gilt für die kalorische Zustandsgleichung im Bereich gemäßigter Temperaturen. Daraus folgen weitere algebraische Zusammenhänge für die spezifische Entropie sowie für isobare und isochore Zustandsänderungen.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

7. Zustandsänderungen Idealer Gase

Zusammenfassung
In den vorhergehenden Abschnitten sind die Grundlagen behandelt worden, mit denen die Veränderungen des Zustandes von Systemen bei thermodynamischen Prozessen berechnet werden können. Für die Zustandsänderungen Idealer Gase lassen sich Beziehungen ableiten, mit denen die übertragenen Wärmen und Arbeiten sowie die Änderungen von Enthalpie und Innerer Energie bestimmt werden, außerdem die Änderungen von Temperatur, Druck und spezifischem Volumen, und zwar allgemein für Ideale Gase gültig.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

8. Ideale Gas- und Gas-Dampf-Gemische

Zusammenfassung
Viele der in der Technik verwendeten Gase sind Mischungen von chemisch reinen Gasen. Diese Gasgemische zeigen bei niedrigen Drücken ebenfalls ein ideales Verhalten. Die für reine Gase ermittelten Gesetze gelten daher auch für Gasgemische. Man muss nur deren Zusammensetzung in geeigneter Weise berücksichtigen (Abschn. 8.1 bis 8.3).
In der atmosphärischen Luft ist Wasserdampf enthalten, der flüssig als Regen oder Nebel, fest als Schnee oder Reif ausgeschieden werden kann. Kennzeichnend für ein solches Gemisch ist, dass die eine Komponente stets gasförmig bleibt und die andere Komponente sowohl gasförmig als auch – aber nicht immer – flüssig oder fest auftritt und daher als Dampf bezeichnet wird.
Die Gas-Dampf-Gemische werden hier am wichtigsten technischen Beispiel, der atmosphärischen Luft, behandelt werden (Abschn. 8.4 bis 8.10). Die dafür abgeleiteten Gesetzmäßigkeiten gelten grundsätzlich auch für andere Gas-Dampf-Gemische.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

9. Energieumwandlung, thermische Maschinen

Zusammenfassung
Für die Berechnung von Verfahren der Energieumwandlung, insbesondere von Prozessen thermischer Maschinen, sind in den vorherigen Abschnitten die Grundlagen erarbeitet worden. Am Beispiel der Dampfkraftmaschine ließ sich eine allgemeine Fassung des Ersten Hauptsatzes für Kreisprozesse ableiten (Abschn. 4.5), die dann auf Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen angewendet wurde (Abschn. 5.4). Für den thermischen Wirkungsgrad und die Leistungszahlen konnte aus dem Zweiten Hauptsatz die Aussage gewonnen werden, dass das naturgesetzliche Optimum nur von den Temperaturen bestimmt wird, zwischen denen ein Kreisprozess läuft.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

10. Wärmeübertragung

Zusammenfassung
Die Lehre von der Wärmeübertragung beschreibt die gegenseitigen Abhängigkeiten von Temperaturfeldern und Wärmeströmen. Dass Wärmeströme in – hier ausschließlich betrachteter – homogener Materie immer in Richtung abnehmender Temperaturen fließen, war bereits in einer Fassung des Zweiten Hauptsatzes ausgesprochen worden. Tatsächlich werden aber auch Faktoren wie die geometrische Anordnung, die Abmessungen, die Stoffeigenschaften, die Bewegung oder Strömung, die Zeit und anderes mehr Einfluss nehmen.
Der vorliegende Abschnitt stellt diese Zusammenhänge dar, gegliedert nach den drei Mechanismen, die von der Natur zur Übertragung der Wärme zur Verfügung gestellt werden.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

11. Verbrennung

Zusammenfassung
Verbrennungsprozesse als Wandlung chemisch gebundener Energie konventioneller fossiler aber auch regenerativer Brennstoffe sind noch immer von großer industrieller Bedeutung. Die angesprochene Wandlung findet dabei vorzugsweise in Prozesswärme zur weiteren Verwertung in Wärmekraftprozessen oder direkt in elektrische Energie und Wärme in Brennstoffzellen, häufig als kalte Verbrennung bezeichnet, statt. Allen Verfahren gemein ist die Zielsetzung einer möglichst wirtschaftlichen Verwertung der eingesetzten chemisch gebundenen Energie. Im Rahmen der folgenden Darstellungen wird ausgehend von den stöchiometrischen Beschreibungen gasförmiger, flüssiger und fester Brennstoffe bis hin zum Energieumsatz der zumeist zugrundeliegenden Oxidationsreaktionen ein fundierter Einblick gegeben.
Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

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