Table Of ContentTechnische
Thermodynamik Teil I
Fran Bosnjakovic
Technische
Thermodynamik
Teil I
8. korrigierte Auflage
Von Professor Dr.-Ing. K. F. KNOCHE
Rheinisch-Westfalische Technische Hochschule Aachen
PROF. DR.-lNG. K. F. KNOCHE
Lehrstuhl fUr Technische Thermodynamik
RWTHAachen
D-52056 Aachen
Die Deutsche Bibliothek - CIP Einheitsaufnahme
Bosnjakovic, Fran:
Technische Thermodynamik / Fran Bosnjakovic. Von K. F. Knoche.
Darmstadt; Steinkopff
Teil 1.-8 .• korrigierte Aufl. - 1998
ISBN 3-7985-1114-4
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© 1998 by Dr. Dietrich Steinkopff Verlag, GmbH & Co. KG Darmstadt
Verlagsredaktion: Dr. Maria Magdalene Nabbe - Herstellung: Heinz 1. Schafer
Umschlaggestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg
Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort 5
Vorwort zur 1. Auflage
Ein Buch, das in strenger, aber knapper Form, unter sparsamer Verwendung mathemati
scher Hilfsmittel das Wesentliche der wiirmetechnischen Probleme hervorhebt und be
spricht, diirfte manchem Leser von Nutzen sein. Von dies em Grundsatz ausgehend, sind
in dies em Buch die besprochenen Einzelprobleme so gewiihlt worden, daB sie zugleich als
ein Skelett fUr den Ausbau allgemeiner wiirmetechnischer Erkenntnisse und Prinzipien
dienen konnten. Als eine Richtlinie in diesem Siilm~ dienten die hervorragenden Vorle
sungen des kiirzlich verstorbenen RICHARD MOLLIER.
1m vorliegenden ersten Teil des Buches werden nach einer EinfUhrung in die klassische
Thermodynamik - unter besonderer Beriicksichtigung des zweiten Hauptsatzes - einige
technisch besonders wichtige Wiirmeprobleme einfacher Stoffe behandelt. Die ausfUhrli
che Behandlung der Diimpfe ist, abgesehen yom piidagogischen Wert solcher Betrachtun
gen, unter anderem auch dadurch berechtigt, daB neuerdings der Dampfantrieb wohl
auch bei Kraftfahrzeugen und Flugmaschinen mehr in den Vo rdergrund treten diirfte.
Eine kleine Aufgabensammlung mit Losungen am Ende des Buches gibt dem Leser Gele
genheit, die Anwendung der Formeln und der beigefUgten Wiirmediagramme kennenzu
lemen, sich aber gleichzeitig mit dem einen oder anderen technisch interessanten Wiir
meproblem bekanntzumachen, welches der Einheitlichkeit wegen niclit in den Text
aufgenommen werden konnte.
Mit Riicksicht auf die vorhandenen Taschenbiicher wurde auf die Aufnahme von Zahlen
material verzichtet. Dieses ist besonders in der Hiitte, I. Bd., in so iibersichtlicher Weise
und in einem so reichhaltigen Umfange vorhanden, daB eine Parallelverarbeitung nicht
berechtigt erschien. Dadurch erkliirt sich auch das im Vergleich mit anderen Lehrbiichem
fast vollstiindige Fehlen von Literaturquellen. Die Wiedergabe der sehr zahlreichen Abbil
dungen ist durch das verstiindnisvolle Entgegenkommen des Verlegers ermoglicht wor
den. DafUr bin ich ihm besonderen Dank schuldig.
1m zweiten Teil des Buches sollen die Mehrstoffprobleme und die Tieftemperaturtechnik
behandelt werden. Fiir den Wiirmeingenieur diirften darunter besonders die Wiirmefragen
bei den Verbrennungsprozessen, den Zweistoffgemischen (feuchte Luft, Absorptionsma
schinen, Stofftrennung) und die Gasverfliissigung von Interesse sein.
Es mag mir erlaubt sein, dieses anspruchslose Werk dem Andenken RICHARD MOLLIERS,
des unvergessenen Lehrers und Forschers, zu widmen.
Belgrad, im Herbst 1935
F. Bosnjakovic
6 Vorwort
Vorwort zur 7. Auflage
Die erste Auflage des vorliegenden Buches erschien im Jahre 1935 als Band der Reihe
»Wiirmelehre und Wiirmewirtschaft«. Diese traditionsreiche Monographienreihe, deren
Herausgeberschaft zunachst Herr Professor PAUER und spater Herr Professor ELSNER tiber
nahm, wurde 1926 yom Verlag Theodor Steinkopff, Dresden, ins Leben gerufen. Die
Reihe wurde nach 1945 fortgesetzt; sie wird heute yom Verlag flir Grundstotrmdustrie,
Leipzig, sowie yom Verlag Technik, Berlin, weitergeflihrt.
Die letzte deutschsprachige Auflage der »Technischen Thermodynamik« von F. BO§NIA
KOVIC stammt aus dem Jahre 1972. In der Zwischenzeit sind im In- und Ausland zahlrei
che neue und gute Lehrbticher zu diesem Thema erschienen, und es stellt sich die Frage,
inwiefem eine Neuauflage dieses Buches noch berechtigt seLWir glauben aber, daB je
nem bereits in der ersten Auflage des Werkes 1935 hervorgehobenen Anspruch, »unter
sparsamer Verwendung mathematischer Hilfsmittel das Wesentliche der wiirmetechni
schen Probleme« streng herauszuarbeiten und anschaulich darzustellen, gerade heute im
Zeitalter der Mikroprozessoren eine ganz besonders groBe Bedeutung zukommt. Wir ha
ben uns daher, dem Charakter der vorausgegangenen Auflagen entsprechend, bemtiht, die
grundlegenden physikalischen und technischen Zusammenhange, wann immer moglich,
in geeigneten Zustandsdiagrammen zu veranschaulichen, um dem Leser das Verstiindnis
flir die Vorgiinge zu erleichtem.
Aus diesem Bestreben, der Anschaulichkeit einen besonders hohen Stellenwert einzurau
men, wurde der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht tiber die tibliche, etwas ab
straktere Vorgehensweise CARATHEODORYS eingeflihrt; es schien angemessener, die klassi
sche CLAusIUssche Argumentation durch eine Einflihrung in Gedankengiinge der
statistischen Thermodynamik zu ergiinzen, zumal hier flir eine Vielzahl technischer Pro
bleme Grundkenntnisse auch flir den Ingenieur unerliif3lich sind.
Eingehender als bisher wird im Buch auch auf die Beurteilung der Wiirmevorgange mit
Hilfe der Arbeitsfahigkeit oder Exergie eingegangen. Das erscheint uns mit Hinweis auf
den unausweichlichen und deswegen um so mehr einzuschriinkenden VerschleiB der ver
fligbaren Energievorrate der Welt unerlaBlich.
Friihere Betrachtungen tiber die Wesensart der Warmestrahlung wurden vertieft und da
bei auf deren Gaseigenschaften und Exergien besonders eingegangen. Als recht hilfreich
erwies sich hierzu ein neues Energie-Entropie-Diagramm der Strahlung in der Art eines
MOLLIERSchen Enthalpie-Entropie-Diagramms flir Wasserdampf. Aus grundsatzlichen Er
wagungen wurde auch die Thermodynamik der thermischen Verwertung der Sonnenstrah
lung in Kollektoren strahlungsverdichtender und flacher Bauart angeschnitten. Demge
gentiber muBte die Lehre von der Wiirmetibertragung durch Konvektion und durch
Strahlung dem II. Teil dieses Buches vorbehalten bleiben.
Vorwort 7
Herr Dr.-Ing. TSATSARONIS und Herr Dr.-Ing. D. STEHMEIER, ehemalige Mitarbeiter des
Lehrstuhls fUr Technische Thermodynamik der RWTH Aachen, haben groBe Teile des
Manuskripts durchgesehen und wertvolle Anregungen gegeben. Besonders hervorheben
mochten wir die Mitwirkung von Herrn Dr.-Ing.H.ENGELs, der den gesamten Text sorgflil
tig durcharbeitete und durch zahlreiche wertvolle VerbesserungsvorschUige sehr zum Ge
lingen des Werkes beitrug. Frau M. KEETH iibemahm die Reinschrift des Manuskriptes,
auch ihr schulden wir fur ihre aufopfemde und geduldige Hilfe ganz besonderen Dank.
Mage diese gemeinsam erarbeitete Neuauflage des Buches eine iihnlich freundliche Auf
nahme in der Fachwelt finden, wie sie den vorausgegangenen Auflagen beschieden war!
Stuttgart und Aachen, im Friihjahr 1988 F. Bo§njakovic
K. F. Knoche
8 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Einfiihrung . 17
1.1. Zustand eines Korpers 17
1.2. Erstes G leichgewichtspostulat 17
1.3. Zweites Gleichgewichtspostulat
oder Nullter Hauptsatz der Therrnodynamik 18
1.4. Temperatur und ihre Messung 19
1.5. Was ist Temperatur? 22
1.6. Druck 22
1.7. Einteilung der Zustiinde 24
1.8. Homogene Stoffe 25
1.9. Zustandsgleichungen 26
2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik
flir geschlossene Systeme 28
2.1. Wiirmeiibergang 28
2.2. Arbeit 29
2.3. p, V-Diagramm . 31
2.4. Satz von der Erhaltung der Energie 33
2.5. Innere Energie . 35
2.6. Erster Hauptsatz der Therrnodynamik 36
3. Zustandseigenschaften einfacher Stoffe,
insbesondere idealer Gase. . . . . 39
3.1. Thermische Zustandsgleichung idealer Gase 39
3.2. Satz von AVOGADRO . . . 42
3.3. Bestimmung der Molmasse 44
3.4. Allgemeine Gaskonstante 44
3.5. Norrnzustand und Normvolumen 45
3.6. Innere Energie idealer Gase, Versuch von GAy-LuSSAC 45
3.7. Spezifische Wiirmekapazitiit . . . . . . . . . 47
Inhaltsverzeichnis 9
3.8. Innere Energie. . . . . . . . . . . . 50
3.9. Stoffmengenspezifische (molare) Wiirmekapazitiit 52
3.10. Gasgemische . . . . . . . . . . . . 56
4. Quasistatische Zustandsiindemngen . . 60
4.1. Zustandsiinderung bei V= konst. (lsochore) 60
4.2. Zustandsiinderung bei p = konst. (lsobare) 61
4.3. Zustandsiinderung idealer Gase bei T= konst. (Isotherme) 63
4.4. Adiabate Zustandsiinderung 64
4.5. Poly trope Zustandsiinderung . . . . . . . . . . 67
S. Kreisprozesse.... 71
5.1. Arbeit des Kreisprozesses 71
5.2. CARNOT-Proze.B 74
5.3. Hei.Bkorper und Kaltkorper 75
5.4. Grundsiitzlicher Unterschied zwischen der Umwandlung von Arbeit in
Wiirme und von Wiirme in Arbeit ...... . . . . . . .. 76
6. Zweiter Hauptsatz der Tbermodynamik 77
6.1. Formulierung des Gesetzes 77
6.2. Abgrenzung der Anwendbarkeit 78
6.3. Umkehrbare Vorgiinge 78
6.4. Nichtumkehrbare Vorgiinge 79
6.5. A1lgemeines Kriterium der Umkehrbarkeit und Nichtumkehrbarkeit 80
6.6. Nichtumkehrbarkeit und Arbeitsgewinnung bei Kreisprozessen 81
6.7. Absolute Temperatur ........ 83
6.8. Entropie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.9. Entropieproduktion und Nichtumkehrbarkeit ..... 90
6.10. Nichtumkehrbarkeit und Arbeitsgewinnung bei beliebigen Prozesscn 92
6.11. Maximales Arbeitsvermogen eines Gebildes . 94
6.12. Arbeitsverluste infolge Nichtumkehrbarkeiten 96
6.13. Allgemeine Eigenschaften der Entropie 98
6.14., Entropie idealer Gase . . . . 99
6.15. T.s-Diagramm . . . . . . . . 100
6.16. Entropie beliebiger einfacher Stoffe . 103
6.17. Thermodynamische Temperaturskala 105
10 Inhaltsverzeichnis
7. Typische Prozesse 108
7.1. Expansion von Druckluft . . . . . . . . . . 108
7.2. Verdichtung eines Gases in einem Unterdruckbehalter 110
7.3. Arbeit aus HeiBgasen . . . . . . . . . 110
7.4. Vergleichsprozesse der Verbrennungsmaschinen 112
7.4.1. Orro-ProzeB (GleichraumprozeB) 114
7.4.2. DIEsEL-ProzeB (GleichdruckprozeB) 115
7.4.3. SEILIGER-ProzeB 117
7.4.4. STIRLING-ProzeB . . . . . . . 118
7.5. Vermis chen von Gasen bei konstantem Gasvolumen V 120
7.6. Entropie idealer Gasgemische. . . . . . . . . 122
8. Offene Systeme 125
8.1. Drosselvorgang 125
8.2. Enthalpie 127
8.3. G leichdruckprozeB 130
8.4. Expansionsendtemperatur und Auspufftemperatur 133
8.5. Aufrullen von Behaltern 134
8.6. Vermis chung von Gasstromungen . 136
8.7. Stationare FlieBprozesse 138
8.8. Erster und Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik fUr offene Systeme 142
9. Wesen der Entropie . . . . . 145
9.1. Makrozustand und Mikrozustand 146
9.2. Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit 147
9.3. Raumliche Verteilung der Molekiile eines Gases 150
9.4. Energieverteilung. . . . . 160
9.4.1. Quantelung der Energiezustande .... 160
9.4.2. Verteilung der Teilchen auf Energiezustande 161
9.4.3. Wahrscheinlichster Zustand . . . . . . 166
9.4.4. Entropie und Temperatur . . . . . . . 168
9.4.5. BOSE-EINSTEIN-, FERMI-DlRAC-und BOLTzMANN-Statistik 170
9.5. Zustandssumme . . . . . . . . 172
9.6. Gasdruck und Volumenanderungsarbeit 172
9.7. Einatomiges ideales Gas 174
9.8. Starrer Rotator und harmonischer Oszillator 178
9.9. Verallgemeinerung des Temperaturbegriffs 184
