Thermodynamik für Ingenieure: Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium

549 Pages·2017·15.72 MB·German

by  Klaus Langeheinecke

Klaus Langeheinecke
André Kaufmann
Kay Langeheinecke
Gerd Thieleke
Thermodynamik
für Ingenieure
Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium
10. Auflage
Thermodynamik
für Ingenieure
(cid:2) (cid:2)
Klaus Langeheinecke André Kaufmann
(cid:2)
Kay Langeheinecke Gerd Thieleke
Thermodynamik
für Ingenieure
Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium
10., überarbeitete Auflage
KlausLangeheinecke KayLangeheinecke
Weingarten,Deutschland IAVGmbH
Gifhorn,Deutschland
AndréKaufmann
HochschuleRavensburg-Weingarten GerdThieleke
Weingarten,Deutschland HochschuleRavensburg-Weingarten
Weingarten,Deutschland
ISBN978-3-658-14300-8 ISBN978-3-658-14301-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-14301-5
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Lektorat:ThomasZipsner
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Vorwort zur aktuellen Auflage
FürdieneueAuflageistdasLehrbuchneugesetztundnachSpringer-Richtlinienüberar-
beitetworden.Zeichnungenwurdendarüberhinausnutzerfreundlichergestaltet.
Abschn.9.8„Brennstoffzellen“istnebeneinerkurzenEinführungindieThermodyna-
mikchemischerReaktioneninKap.11„Verbrennung“eingeordnetworden.
Zur weiteren Vertiefung der Lerninhalte wurden in Kap. 8 „Ideale Gas- und Gas-
Dampf-Gemische“undKap.11„Verbrennung“Fragenergänzt.
Großformatige und farbige T;s- und h;s-Diagramme für Wasser und Wasserdampf
sowieh;x-DiagrammefürfeuchteLuftkönnenalspdf-DateienodergedruckteExemplare
unterwww.technische-thermodynamik.deerworbenwerden.
Gifhorn KayLangeheinecke
V
Vorwort
DieTechnischeThermodynamikgehörtzudenGrundlagendesMaschinenbaus,derEner-
gietechnik,derFahrzeugtechnik,derVerfahrenstechnik,derVersorgungstechnikundver-
wandterIngenieurwissenschaften.FürStudierendevonBachelor-undMasterstudiengän-
genanFachhochschulen,HochschulenundUniversitäten,ferneranDualenHochschulen,
Berufsakademien,Höheren TechnischenLehranstalten undTechnikerschulenim gesam-
tendeutschsprachigenRaumistdiesesBuchgeschrieben,zurNutzunginundnebenden
Lehrveranstaltungen.DerUmfangorientiertsichandem,wasanGrundlagenfürweiter-
führende Lehrveranstaltungen erforderlich ist. Zum Selbststudium in der Weiterbildung
undbeim Wiedereinstiegempfiehltsich dasLehrbuchdurchseinenAufbauauchfürbe-
reitsBerufstätige.
Ausführliche Texte, zahlreiche bildliche Darstellungen, durchgerechnete Beispiele,
viele Fragen und Übungsaufgaben mit Lösungen zur aktiven Beschäftigung verdeutli-
chen die Denkweisen, Methoden und Werkzeuge der Thermodynamik. Vor allem wird
die Fachsprache vermittelt, die sich oft als Hindernis auf dem Weg zum Verstehen der
Thermodynamik erwiesen hat, aber dafür und zum Lesen von Fachliteratur unerlässlich
ist.InumfangreichenTabellensindnotwendigeDatenzusammengestellt.
EinausführlichesSachwortverzeichnisleitetschnellzudengesuchtenTextstellenund
gibt die Sachworte auch in englischer Sprache wieder. Im Internet findet der Leser das
entsprechende Verzeichnis SACHWORT ENGLISCH-Deutsch als Download unter http://
www.springer.com/de/book/9783658143008unterhalbdesInhaltsverzeichnisses.Kosten-
los herunterladen lassen sich dort außerdem die als Formelsammlung und zur Wieder-
holungverwendbareKurzfassung desLehrtextes THERMODYNAMIK MEMORY unddas
umfangreichealphabetische, interaktivnutzbare THERMODYNAMIK GLOSSAR mitüber
700Stichwörtern.
Die Lehre der Thermodynamik war bislang weitgehend durch die Felder „Geschlos-
senes System“, „Ideales Gas“ und „Reversible Prozesse“ geprägt. Technische Prozesse
laufen jedoch im Allgemeinen in offenen Systemen ab, über deren Grenzen Stoff- und
EnergieströmeübertragenwerdenundindenenhäufigPhasenwechselundnichtvernach-
lässigbare Dissipationsphänomene auftreten. Daher wird das offene System so früh wie
möglichvorgestelltsowiemitStromgrößenundBilanzansätzengearbeitet.Dieverschie-
denenEnergie-undLeistungsartenwerdenbegrifflichklarunterschieden.Dabeiwirdauf
VII
VIII Vorwort
die Wärme, ihre unterschiedlichen Transportmechanismen und ihre Freisetzung durch
Verbrennung besonders eingegangen. Wegen oft unzureichender Vorkenntnisse in der
Physik werden Phasenwechsel und das gesamte Zustandsfeld bereits am Anfang darge-
stellt.DiedazunotwendigenGedankenexperimentebauenaufAlltagsbeobachtungenauf.
Dabei wird in den Umgang mit Zustandsdiagrammen und Dampftafeln eingeführt und
demModell„IdealeGase“derrichtigePlatzangewiesen.
Das Buch geht im Kern zurück auf das in langer Lehrtätigkeit entwickelte Vorle-
sungsmanuskript des Herausgebers. Im Rahmen des CAT-Projektes haben die Professo-
ren W. Schnabel, Dr. G. Kurz und Dr. G. Kürz sowie Ing. (grad.) P. Stotz damals teils
schreibend, teils erprobend und beratend mitgewirkt. Für das Buchmanuskript konnten
zusätzlichProf.Dr.EugenSapper(Konstanz),derjedochnochwährendderBearbeitung
verstarb, und Prof. Dr. Peter Jany (Weingarten/Württ.) sowie Dipl.-Ing. Heinz Millner
(Dornbirn/Vorarlberg)gewonnenwerden.Seitder6.AuflagearbeitetProf.Dr.-Ing.Gerd
Thieleke(Weingarten/Württ.)mit,seitder8.AuflageHon.-Prof.Dr.-Ing.KayLangehei-
necke(Gifhorn/UniversitätRostock)undabder9.AuflageProf.Dr.-Ing.AndréKaufmann
(Weingarten/Württ.).DiesorgfältigeAusführungderZeichnungenübernahmfürdieers-
ten Auflagen Dipl.-Ing. (FH) Wolf-Dieter Schnell (Langenargen/Bodensee),die digitale
VerarbeitungdesGlossarsMartinVolckart(Baienfurt).
Das Lehrbuch ist für die jeweiligen Auflagen mehrfach gründlich überarbeitet und
ergänztworden.HinweisevonFachkollegenundStudierendenwurdendabeidankbarver-
wertet.
DieAutorendankenallenBeteiligten, diezumGelingenderAuflagen desLehrbuchs
beigetragenhaben,vorallemdemLektoratMaschinenbaudesSpringerViewegVerlags,
ThomasZipsnerundImkeZander.EinbesondererDankgiltdenFamilien,diewegendes
Buchessooftverzichtenmussten.
Weingarten/Württ. KlausLangeheinecke
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 AufgabeundGeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ZurLehrveranstaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 PhysikalischeGrößenundGrößengleichungen . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 DieSystemeundihreBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 SystemeundEnergien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 GleichgewichtundBeharrungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 StoffundMenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Zustand,ZustandsgrößenundZustandsdiagramme . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Druck,Temperatur,Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Zustandsänderungen,Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Stoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1 ThermischeDehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 VerdampfenundVerflüssigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 KritischerPunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Nassdampf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5 Erstarren,Sublimieren,Tripelzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 DämpfeundGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Stoffgemische. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.8 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1 EnergiegrößenundErsterHauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 ArbeitundArbeitsleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Wärme,WärmestromundInnereEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4 EnthalpieundEnthalpiestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.5 EnergieumwandlungmitKreisprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
IX
X Inhaltsverzeichnis
4.6 Strömungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.7 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1 AussagenüberProzesse,ZweiterHauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2 EntropieundEntropiestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3 Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4 Energieumwandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.5 ExergieundAnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.6 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6 ZustandsgleichungenIdealerGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.1 Gasgleichung,Gaskonstanten,Normmolvolumen . . . . . . . . . . . . . 169
6.2 KalorischeZustandsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3 EntropieundEntropiediagramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.4 WärmekapazitätenundIsentropenexponent . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.5 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7 ZustandsänderungenIdealerGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.1 AllgemeineundspezielleZustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2 IsobareZustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3 IsochoreZustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.4 IsothermeZustandsänderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.5 IsentropeZustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.6 PolytropeZustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.7 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8 IdealeGas-undGas-Dampf-Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.1 AnteileundTeilgrößenvonGasgemischen,DALTONschesGesetz . . 227
8.2 Gasgleichung,GaskonstantenundMolmassenvonGasgemischen . . 230
8.3 KalorischeZustandsgrößenvonGasgemischen . . . . . . . . . . . . . . 233
8.4 Gas-Dampf-Gemische,FeuchteLuft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.5 ZustandsgrößenundZustandsdiagrammefeuchterLuft . . . . . . . . . 238
8.6 Luftbehandlungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.7 Mischen,ErwärmenundKühlenfeuchterLuft. . . . . . . . . . . . . . . 248
8.8 EinsprühenvonWasserinfeuchteLuft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.9 VerdunstungundTaubildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.10 Druckluft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.11 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9 Energieumwandlung,thermischeMaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.1 Vergleichsprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.2 Dampfkraftmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
9.3 DampfkältemaschinenalsKühlmaschinenundWärmepumpen . . . . 288
Inhaltsverzeichnis XI
9.4 Verbrennungsmotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.5 Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
9.6 Gaskältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.7 RegenerativeKreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
9.8 KombinierteGas-undDampfkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
9.9 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
10 Wärmeübertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
10.1 Wärmeleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
10.2 StationäreWärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.3 InstationäreWärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
10.4 NumerischeLösungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
10.5 KonvektiverWärmeübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
10.6 WärmeübergangbeierzwungenerKonvektion . . . . . . . . . . . . . . . 360
10.7 WärmeübergangbeifreierKonvektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
10.8 WärmeübergangbeiPhasenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
10.9 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
10.10 WärmestrahlungzwischenfestenOberflächen . . . . . . . . . . . . . . . 380
10.11 Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
10.12 WärmeaustauschimGleichstromundGegenstrom . . . . . . . . . . . . 385
10.13 Wärmedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
10.14 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
11 Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
11.1 GrundlagenchemischreagierenderSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 399
11.2 DerVerbrennungsprozess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
11.3 BrennstoffeundVerbrennungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
11.4 Verbrennungsrechnung:Sauerstoff-undLuftbedarf. . . . . . . . . . . . 408
11.5 Verbrennungsrechnung:ZusammensetzungdesVerbrennungsgases. . 415
11.6 DasVerbrennungsschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
11.7 EnergieumsatzbeivollständigerVerbrennung . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.8 AbgasverlustundfeuerungstechnischerWirkungsgrad. . . . . . . . . . 436
11.9 Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
11.10 FragenundÜbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509