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Über dieses Buch

Physikalisch-chemische Grundlagen für Naturwissenschaftler und Ingenieure der thermischen Verfahrenstechnik

· Grundlagen der Thermodynamik verständlich erklärt

· Impulse zur praktischen Anwendung in der Verfahrenstechnik

· Praktische Lernhilfe durch viele ausführliche Bespiele

· Formelsammlung und Datensammlung zum Nachschlagen

Dieses Buch führt Sie in das physikalisch-chemische Gebiet der Thermodynamik ein
Dieses Buch vermittelt Ihnen die physikalisch-chemischen Grundlagen der Thermodynamik. Im Fokus der Autorinnen steht dabei die Thermodynamik der Phasengleichgewichte als Grundlage thermischer Trennverfahren.
Die Thermodynamik wird häufig als ein schwer zugängliches und abstraktes Teilgebiet der Physik wahrgenommen. Dieses Buch schafft Abhilfe, indem es die Grundlagen der Thermodynamik verständlich erklärt und eine Verbindung zu den praktischen Anwendungen der thermischen Verfahrenstechnik herstellt. Aufbauend auf den theoretischen Grundlagen beschreiben die Autorinnen die thermodynamischen Eigenschaften von reinen Fluiden und Mischungen mit Hilfe von Zustandsgleichungen und Phasendiagrammen. Die Berechnung von Phasengleichgewichten sowie die Trennung von Mischungen in ihre reinen Komponenten werden ausführlich erläutert.
Auf dieses Weise stellen die Autorinnen dieses Thermodynamik-Buchs selbst komplizierte und komplexe Sachverhalte leicht nachvollziehbar dar. Zusätzlich erleichtern Ihnen zahlreiche anwendungsorientierte Beispiele sowie anschauliche Diagramme das Verständnis.
Grundlagen und Praktische Lösungen in einem
Christa und Dorothea Lüdecke erläutern in diesem Buch über die Thermodynamik zunächst wichtige Grundbegriffe wie die Hauptsätze und die thermodynamischen Potentiale. Mit diesem Basiswissen gelingt es Ihnen in Ihrem Studium, sich leicht auch die Spezialgebiete der folgenden Kapitel zu erarbeiten:
• Thermodynamische Eigenschaften reiner Fluide

• Thermodynamische Eigenschaften homogener Mischungen

• Phasengleichgewichte mehrkomponentiger Systeme


Die wichtigsten Gleichungen werden selbstverständlich nach ihrer Herleitung in detaillierten Beispielen angewendet, die Ihnen helfen, eigenständig Lösungen für praktische Probleme der Verfahrenstechnik zu finden.
Ein Nachschlagewerk für Studium und Beruf
Die wichtigsten Aussagen aller Kapitel sind im Anhang am Ende dieses Werks noch einmal übersichtlich zusammengestellt. Diese ausführliche Zusammenfassung stellt ein Repetitorium und eine eigenständige Formelsammlung zum schnellen Nachschlagen dar. Zusätzlich finden Sie im Anhang viele Tabellen mit thermodynamischen Daten – eine nützliche Sammlung für Ihre Berechnungen – sowie ein deutsch-englisches Verzeichnis der verwendeten Begriffe. All dies macht dieses Thermodynamik-Buch zu einem treuen Begleiter in Grund- und Hauptstudium bis hinein in die berufliche Praxis. Zu einer besonderen Empfehlung wird es daher für:

· Studierende der Naturwissenschaft und Verfahrenstechnik

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundlagen der Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Thermodynamik ist das Gebiet der Physik, das die Umwandlung verschiedener Energieformen ineinander, unter besonderer Berücksichtigung von Wärme und mechanischer Arbeit, behandelt.
Innerhalb der Thermodynamik gibt es zwei Teilgebiete:
Die klassische oder phänomenologische Thermodynamik beschreibt einen Stoff durch seine makroskopisch messbaren Eigenschaften, z. B. Temperatur, Druck und Volumen.
Die statistische Thermodynamik führt die makroskopischen Eigenschaften eines Stoffes auf die Eigenschaften seiner mikroskopischen Bestandteile zurück, z. B. auf die Orts-Koordinaten, Geschwindigkeiten bzw. Impulse der Atome oder Moleküle, und berechnet aus den Eigenschaften dieser mikroskopischen Teilchen mit Hilfe der statistischen Methoden der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik die makroskopischen Eigenschaften des Stoffes. So entspricht die Temperatur eines Stoffes der kinetischen Energie seiner Atome oder Moleküle, und der Druck eines Gases ist der von den Gasteilchen auf die Gefäßwandung übertragene Impuls pro Flächeneinheit.
Die Thermodynamik baut auf wenigen Axiomen auf, d. h. Grundsätzen, die nicht von anderen Sätzen abgeleitet und prinzipiell nicht bewiesen werden können. Sie stellen empirische Erfahrungssätze dar, die selbst oder deren Folgen bisher nicht durch die Erfahrung widerlegt worden sind. Alle Folgerungen, die man aus einem Satz herleiten kann und die von der Erfahrung bestätigt werden, gelten als Bestätigung für die Gültigkeit dieses Satzes. Umgekehrt aber ist ein Satz widerlegt, wenn nur eine seiner Folgerungen der Erfahrung widerspricht.
Christa Lüdecke, Dorothea Lüdecke

2. Thermodynamische Eigenschaften reiner Fluide

Zusammenfassung
Gase und Flüssigkeiten unterscheiden sich von Festkörpern insbesondere bezüglich der Beweglichkeit ihrer Teilchen. Festkörper besitzen langreichweitige Wechselwirkungskräfte; die Atome sind im Kristallgitter regelmäßig angeordnet und können nur Schwingungen um die Gitterpunkte ausführen, so Festkörper form- und volumenbeständig sind. In Gasen und Flüssigkeiten hingegen herrschen schwache zwischenmolekularen Wechselwirkungskräfte, so dass die Teilchen recht frei beweglich und Gase und Flüssigkeiten form- und volumenunbeständig sind. Zwar unterscheiden sich Gase und Flüssigkeiten deutlich durch ihre Kompressibilität, doch weisen sie in vielen Eigenschaften so große Ähnlichkeiten auf, dass sie häufig durch die gleichen Gesetzmäßigkeiten beschrieben werden können. Außerdem gehen bei Temperaturen oberhalb der sog. kritischen Temperatur gasförmige und flüssige Phase kontinuierlich ineinander über (s. u.), so dass im überkritischen Bereich Flüssigkeit und Gas ununterscheidbar sind und man sie als eine einzige Phase betrachten kann. Daher fasst man Flüssigkeiten und Gase unter dem Begriff Fluid oder fluide Phase zusammen.
Christa Lüdecke, Dorothea Lüdecke

3. Thermodynamische Eigenschaften homogener Mischungen

Zusammenfassung
Meist besteht ein System nicht nur aus einer einzigen Komponente, sondern ist eine Mischung aus mehreren Komponenten. Die uns umgebende Luft beispielsweise besteht aus den Komponenten Stickstoff, Sauerstoff, Argon und anderen Gasen. Ebenso stellen Schnaps und die sich über dieser Flüssigkeit bildende Dampfphase Mischungen dar, die neben vielen Aromastoffen vor allem aus den Komponenten Wasser und Ethanol bestehen.
Die thermische Verfahrenstechnik beschäftigt sich vor allem mit Verfahren zur Trennung von Gemischen in ihre Komponenten mit dem Ziel, aus einem Reaktionsgemisch das gewünschte Produkt abzutrennen und zu reinigen. Um entsprechende Anlagen planen und auslegen zu können, ist die Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften von Mischungen nötig.
In diesem Kapitel werden wir homogene Mischungen betrachten, also Mischungen, die als eine einzige Phase vorliegen. Die Zustandsgrößen sind nun nicht nur temperatur- und druckabhängig, sondern hängen vor allem von der Konzentration ab. Wir werden unterschiedliche Mischungstypen diskutieren und Modelle kennen lernen, mit deren Hilfe wir die Konzentrations- sowie Temperatur- und Druckabhängigkeit von Mischungsgrößen in analytischen Gleichungen angeben können.
Christa Lüdecke, Dorothea Lüdecke

4. Phasengleichgewichte mehrkomponentiger Systeme

Zusammenfassung
Die im vorangegangenen Kapitel vorgestellten Berechnungen thermodynamischer Eigenschaften einzelner homogener Mischungen werden im folgenden Kapitel angewendet, mit dem Ziel, den Gleichgewichtszustand verschiedener miteinander in Gleichgewicht stehender Phasen zu beschreiben. Diese Phasengleichgewichte bilden die Grundlage für die Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse wie etwa der Destillation oder Rektifikation, thermischer Trennverfahren, die auf dem Austausch zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase beruhen, sowie der Flüssig-Flüssig-Extraktion, ein Verfahren, bei dem die Verteilung eines Stoffes zwischen zwei Flüssigkeiten genutzt wird, um beispielsweise Wertstoffe oder Schadstoffe einem flüssigen Stoffgemisch zu entziehen.
In diesem Kapitel werden zunächst die allgemeinen Beziehungen hergeleitet, die die Bedingungen für mechanisches, thermisches und stoffliches Gleichgewicht angeben. Anschließend werden die Gleichgewichte Flüssigkeit-Flüssigkeit, Dampf-Flüssigkeit, Gas-Flüssigkeit, Feststoff-Flüssigkeit und Dampf-Feststoff behandelt.
Christa Lüdecke, Dorothea Lüdecke

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