Thermodynamik: Band 1: Einstoffsysteme. Grundlagen und technische Anwendungen

530 Pages·1992·15.2 MB·German

by  Dr.-Ing. Karl Stephan

Springer- Lehrbuch
Karl Stephan· Franz Mayinger
Thermodynamik
Band 1: Einstoffsysterne.
Grundlagen und technische Anwendungen
14. Auflage
Mit 214 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dr.-Ing. Karl Stephan
o. Professor an der Universität Stuttgart
Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik
Dr.-Ing. Franz Mayinger
o. Professor an der Technischen Universität München
Lehrstuhl A für Thermodynamik
ISBN 978-3-540-55648-0 ISBN 978-3-662-22541-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-22541-7
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Stephan, Karl: Thermodynamik: Grundlagen u. techn. Anwendungen
Karl Stephan, Franz Mayinger
Berlin, Heidelberg, New York, London Paris, Tokyo,
Hong Kong, Barcelona, Budapest • Springer
NE: Mayinger, Franz.
Bd. 1. Einstoffsysteme. - 14. Aufl. - 1992
ISBN 978-3-540-55648-0 (Berlin • • •)
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1992
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Druck: Saladruck, Berlin
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60/3020-54320
V orwort zur vierzehnten Auflage
Nachdem die zw6lfte Auflage 1986 umfassend neu bearbeitet worden war, weist
auch die vierzehnte Auflage gegeniiber der zw6lften und dreizehnten nur wenige
Anderungen auf: AIle Zahlenangaben fiir Stoffeigenschaften wurden iiberpriift und
dem neuesten Stand angepaBt. Es wurden Tabellen und Zeichnungen erneuert,
Druckfehler beseitigt und kleinere Verbesserungen vorgenommen. 1m Unterschied
zu den vorangegangenen Auflagen erscheint das Buch jetzt in der Reihe der
Springer-Lehrbiicher. Wir hoffen, daB es dadurch einem noch gr6Beren Leserkreis
zuganglich wird.
Stuttgart K. Stephan
Miinchen, im Herbst 1992 F. Mayinger
Vorwort zur dreizehnten Auflage
Nachdem die zwolfte Auflage umfassend neu bearbeitet worden war, weist die
dreizehnte Auflage gegeniiber der zwolften nur wenige Anderungen auf: AIle
Zahlenangaben fUr Stoffeigenschaften wurden iiberpriift und dem neuesten Stand
angepaBt. Es wurden Zeichnungen erneuert, Druckfehler beseitigt und kleinere
Verbesserungen vorgenommen. 1m Abschnitt iiber Warmeiibertragung haben wir
altere durch neuere, genauere Gleichungen ersetzt.
Stuttgart K. Stephan
Miinchen, im Friihjahr 1990 F. Mayinger
Vorwort zur zwOlften Auflage
Die zwolfte Auflage unterscheidet sich von Qen vorangegangenen durch eine
umfassende Neubearbeitung. Trotz vieler Andeiungen waren wir aber bemiiht,
Ziel und Anlage des Buches zu erhalten.
Es solI als Lehrbuch der Thermodyitamik den Studierenden, vor allem den
der Ingenieurwissenschaften, mit den Grundlagen der Thermodynamik und
ihren technischen Anwendungen vertraut machen. Die im Vergleich zu anderen
Lehrbiichern reichliche Ausstattuqg mit Zahlenangaben fUr Stoffeigenschaften,
VI Vorwort
die sich schon in den friiheren Auflagen bewiihrte, wurde weiter beibehalten.
Dadurch wird die Lasung praktischer Aufgaben erleichtert, und dem Leser
bleibt das oft miihsame Suchen von Stoffwerten erspart.
Besonderer Wert wurde auf eine anschauliche und praxisorientierte Darstel
lung des Stoffes gelegt. Dies sollte dem Studierenden die Anwendung des Ge
lernten erleichtern und dem bereits in der Praxis Tiitigen die technische Verwert
barkeit klarer demonstrieren.
Die Thermodynamik wird von den Studierenden im allgemeinen als eines
der schwierigeren Wissensgebiete angesehen, obwohl sie mit nur wenigen Lehr
siitzen, neuen Begriffen und mathematischen Kenntnissen auskommt. Dies mag
vor all em an den Schwierigkeiten liegen, die wenigen, aber abstrakten Grund
lagen auf konkrete technische und physikalische Vorgiinge anzuwenden. Es war
daher unser Bestreben, die Grundlagen trotz aller gebotenen wissenschaftlichen
Strenge stets so anschaulich wie maglich darzubieten, und wir haben au13erdem.
wie in den friiheren Auflagen, unmittelbar im AnschluB an entwickelte Siitze die
damit schon behandelbaren Anwendungen angeschlossen. Zahlreiche Ubungs
aufgaben, deren Lasungen man im Anhang findet, sollen zu eigenem Rechnen
anleiten und den Stoff vertiefen.
Ais besonders anschaulich und einpriigsam fUr die Darstellung des ersten und
zweiten Hauptsatzes erwies sich der Begriff der Austauschvariablen. Sie ist die
jenige Variable, iiber die ein System Kontakt zu seiner Umgebung aufnimmt.
Die Entropie ist in diesem Begriffssystem weiter nichts als diejenige Variable,
iiber die das System mit seiner Umgebung in Kontakt tritt, wenn es Wiirme auf
nimmt. Wiirme flieBt dann iiber die Koordinate Entropie in das System auf
Kosten der Entropie der Umgebung. Die genauere Diskussion der Eigenschaften
dieses so zuniichst anschaulich und dann in aller Strenge eingefUhrten Entropie
begriffes fUhrt zwanglos zur Formulierung des zweiten Hauptsatzes. Auf seine
sorgfiiltige Behandlung wurde besonderer Wert gelegt, und es wurden, ausgehend
von seiner allgemeinsten Form, die verschiedenen speziellen, fUr bestimmte An
wendungen zweckmiiBigen Formulierungen behandelt. AusfUhrlicher als sonst
iiblich wurden auch die Begriffe der Dissipationsarbeit und Dissipationsenergie
erartert. Mit Hilfe der Dissipationsarbeit lieB sich der erste Hauptsatz ohne
Kenntnis des zweiten bereits vollstiindig formulieren. Erst in Zusammenhang
mit dem zweiten Hauptsatz ergab sich dann, daB die Dissipationsarbeit nie negativ
sein kann. Die Begriffe der Dissipationsarbeit und -energie erwiesen sich weiter
als niitzlich bei der Bewertung technischer Prozesse hinsichtlich ihrer Verluste.
Sie erleichtern gleichzeitig den Zugang zum Studium der Thermodynamik irrever
sibler Prozesse, die zwar nicht Gegenstand dieses Buches ist, iiber die aber zahl
reiche Spezialwerke vorliegen.
1m Interesse einer praxisorientierten Vermittlung des Stoffes wurden die tech
nischen Kreisprozesse bewuBt ausfUhrlich behandelt. Einen breiten Raum nimmt
die Diskussion der Dampfkraftprozesse ein. Kraftmaschinen werden in der
Praxis nicht mit idealen, sondern mit real en Gasen betrieben, und ihre Berechnung
erfolgt heute in der Regel auf elektronischen Rechenmaschinen. Deshalb werden
auch Zustandsgleichungen fUr reale Gase, insbesondere fUr Wasserdampf, aus-
Vorwort VII
fUhrlich behandelt.
Die vorliegende zwolfte Auflage enthiilt im Unterschied zur elften wie alle frii
heren Auflagen wieder eine kurzgefal3te Einfiihrung in die Wiirmeiibertragung
(Kapitel IX) etwa in dem Umfang wie sie in den Grundlagenvorlesungen fUr
Maschinen- und Verfahrensingenieure gelehrt wird. Wir haben uns zu diesem
Schritt entschlossen, weil die Grundgesetze der Wiirmeiibertragung zwanglos
aus den Hauptsiitzen der Thermodynamik folgen, weswegen auch an vielen Hoch
schulen eine Einfiihrung in die Wiirmeiibertragung im Rahmen der Thermo
dynamik gelehrt wird.
Das Kapitel iiber Stromungsprozesse haben wir knapper gefal3t und auf den
Abschnitt iiber Zweiphasenstromungen ganz verzichtet, da hieriiber inzwischen
viele Spezialwerke erschienen sind.
Von den zahlreichen iibrigen Anderungen seien folgende genannt: Die Dar
stellung des ersten Hauptsatzes haben wir erweitert. Den Betrachtungen voran
gestellt ist eine allgemeine Formulierung des ersten Hauptsatzes, die auch
schon in der vorigen Auflage enthalten war. In folgenden Abschnitten wird dann
deren Anwendung auf spezielle Prozesse erortert: Auf Prozesse in geschlossenen
Systemen, auf stationiire und dann auf instationiire Prozesse in offenen Systemen.
Die Thermodynamik des Wiirmekraftprozesses, der Kiilteerzeugung und der
Wiirmepumpe wurde eingehender als bisher mit Hilfe der Exergie erkliirt, die fUr
das Verstiindnis dieser Vorgiinge besonders hilfreich ist. Alle Tabellen und Dia
gramme wurden neu berechnet und die Angaben auf den neuesten Stand ge
bracht.
Trotz EinfUhrung des Internationalen Einheitensystems wird der Ingenieur
in den kommenden J ahren immer noch hin und wieder mit den technischen oder
den in anderen Industrieliindern gebriiuchlichen Einheitensystemen umgehen
miissen, zumal eine grol3e Zahl von Tabellen der Stoffeigenschaften in diesen
Einheiten vorhanden sind. Wir haben daher ein Kapitel iiber Einheitensysteme
mit Tabellen iiber wichtige Umrechnungsfaktoren beibehalten.
Fiir wertvolle Ratschliige und Hinweise sind wir Studenten unserer Vorlesungen,
vielen Kollegen und Freunden zu Dank verpflichtet.
Den Herren Dr.-Ing. M. Tamm und Dipl.-Ing. D. Butz danken wir fUr das Mit
Ie sen der Korrekturen und fUr viele Anregungen, dem Springer-Verlag fUr die
angenehme Zusammenarbeit und die sorgHiltige AusfUhrung der Neuauflage.
Stuttgart K. Stephan
Miinchen, im Sommer 1986 F. Mayinger
Inhaltsverzeichnis
Liste der F ormelzeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
I. Aufgabe und Grundbegriffe der Thermodynamik .
I. Aufgabe der Thermodynamik
2. Thermodynamische Systeme . 3
3. Die Koordinaten des Systems 4
4. Einige Eigenschaften von Zustandsgrol3en . 6
If. Das thermodynamische Gleichgewicht und die empirische Temperatur 9
I. Das thermische Gleichgewicht . . . . . . . . . . . 9
2. Der nullte Hauptsatz und die empirische Temperatur . II
3. Die internationale Temperaturskala 16
4. Praktische Temperaturmessung 19
a) FlUssigkeitsthermometer 19
b) Widerstandsthermometer 22
c) Thermoelemente. . . . 23
d) Strahlungsthermometer. 25
5. Mal3systeme und Einheiten. Grol3engleichungen 25
.6. Die thermische Zustandsgleichung idealer Gase 31
6.1. Die Einheit der Stoffmenge. Die Gaskonstante und das Gesetz
von Avogadro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Ill. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 40
1. Allgemeine Formulierung des ersten Hauptsatzes 40
2. Die Energieform Arbeit . 42
2.1 Mechanische Energie . . . . . . . . . . 43
2.2 Volumarbeit . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Die Arbeit einiger anderer Prozesse. Verallgemeinerung des Be-
griffs der Arbeit . . . 49
a) Der elastische Stab. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
x
Inhaltsverzeichnis
b) Oberflachenfilme. . . . . . . 50
c) Elektrochemische Zellen . . . 50
d) Polarisation in einem Dielektrikum 51
e) Magnetisierung . . . . . . . . . 55
f) Elektromagnetische Felder . . . . 58
g) Verallgemeinerung des Begriffs Arbeit 59
2.4 Die dissipierte Arbeit . . . . . . . . . 60
3. Die innere Energie. . . . . . . . . . . . 62
3.1 Kinetische Deutung der inneren Energie. 63
4. Die Energieform Wiirme . . . . . . . . . 68
5. Anwendung des ersten Hautpsatzes auf geschlossene Systeme . 69
6. Messung und Eigenschaften von innerer Energie und Wiirme. 70
7. Anwendung des ersten Hauptsatzes auf stationiire Prozesse in
offenen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8. Anwendung des ersten Hauptsatzes auf instationiire Prozesse in
offenen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9. Die kalorischen Zustandsgleichungen und die spezifischen Wiirme-
kapazitaten . . . . . . . . . . . . .. ........ 83
9.1 Die kalorischen Zustandsgleichungen und die spezifischen
Wiirmekapazitiiten der idealen Gase . . . . . . . . . 85
9.2 Die spezifischen Wiirmekapazitiiten der wirklichen Gase . 88
10. Einfache Zustandsiinderungen idealer Gase. . . . . . . . . 97
a) Zustandsiinderung bei konstantem Volum oder Isochore. 97
b) Zustandsiinderung bei konstantem Druck oder Isobare. 98
c) Zustandsiinderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme 98
d) Quasistatische adiabate Zustandsiinderungen . . . . . . . . 100
e) Poly trope Zustandsiinderungen . . . . . . . . . . . . . . 103
f) Logarithmische Diagramme zur Darstellung von Zustandsiinde-
rungen ......................... 106
11. Das Verdichten von Gasen und der Arbeitsgewinn durch Gasent-
spannung ..... 107
IV. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 112
1. Das Prinzip der Irreversibilitiit. . . 112
2. Entropie und absolute Temperatur . 116
3. Die Entropie als vollstiindiges Differential und die absolute Tempera-
tur als integrierender Nenner . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4. Einfiihrung des Entropiebegriffes und der absoluten Temperatur
skala mit Hilfe des integrierenden Nenners . . . . . . . . . 127
Inhaltsverzeichnis X I
5. Statistische Deutung des zweiten Hauptsatzes . . . . . . .. 131
5.1 Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit eines Zustandes 131
5.2 Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit . .. 135
5.3 Die endliche GroBe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit,
Quantentheorie, Nernstsches Warmetheorem. . 136
6. Eigenschaften der Entropie bei Austauschprozessen . . . . . . 138
7. Allgemeine Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermo
dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.1 Einige andere Formulierungen des zweiten Hauptsatzes. . . 143
7.2 SchluBfolgerungen aus den verschiedenen Formulierungen des
zweiten Hauptsatzes . . . . . . . . . . . . . 145
a) Zusammenhang zwischen Entropie und Warme 145
b) Zustandsanderungen adiabater Systeme. . . . 147
c) Isentrope Zustandsanderungen. . . . . . . . 148
7.3 Aussagen des ersten und zweiten Hauptsatzes tiber quasistati-
sche und tiber irreversible Prozesse . . . . . 148
7.4 Die Fundamentalgleichung . . . . . . . . . 152
7.5 Die Entropie idealer Gase und anderer Korper 155
7.6 Die Entropiediagramme. . . . . . . . . . . 159
7.7 Das Entropiediagramm der idealen Gase . . . 160
7.8 Beweis, daB die innere Energie idealer Gase nur von der Tempe-
ratur abhangt . . . . . . . . 162
8. SpezieHe nichtumkehrbare Prozesse. . . . 163
a) Reibungsbehaftete Prozesse. . . . . . 163
b) Warmeleitung unter Temperaturgefalle . 169
c) Drosselung . . . . . . . . . . . . . 17l
d) Mischung und Diffusion . . . . . . . 173
9. Anwendung des zweiten Hauptsatzes auf Energieumwandlungen 177
9.1 EinfluB der Umgebung auf Energieumwandlungen 177
9.2 Berechnung von Exergien . . . . . . . . 179
a) Die Exergie eines geschlossenen Systems 179
b) Die Exergie eines offen en Systems . . 181
c) Die Exergie einer Warme . . . . . . 182
d) Die Exergie bei der Mischung zweier idealer Gase 186
9.3 Verluste durch Nichtumkehrbarkeiten . . . . . . . . 187
V. Thermodynamische Eigenschaften der Materie . . . . . . . . . . 192
I. Darstellung der Eigenschaften durch Zustandsgleichungen. Messung
von ZustandsgroBen . . . . . . . . . . . . . 192
2. Gase und Dampfe, die p,v,T-Diagramme . . . . 194
2.1 Die kalorischen ZustandsgroBen von Dampfen 203