Table Of ContentKarl Stephan· Franz Mayinger
Thermodynamik
Grundlagen und technische Anwendungen
13. Auflage
Band 1 Einstoffsysteme
Mit 214 Abbildungen und 2 TaCein in der Tasche
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH 1990
DrAng. Karl Stephan
o. Professor an der Universität Stuttgart
Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik
DrAng. Franz Mayinger
o. Professor an der Technischen Universität München
Lehrstuhl A für Thermodynamik
ISBN 978-3-662-22540-0
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Stephan, Karl:
Thermodynamik: Grundlagen u. techno Anwendungen
Karl Stephan, Franz Mayinger.
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Bd. I. Einstoffsysteme. - 13. Aufl. 1990.
ISBN 978-3-662-22540-0 ISBN 978-3-662-22539-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-22539-4
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986, 1990
UrsprOnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1990
Softcover reprint of the hardcover 13th edition 1990
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Satz: Thomas Müntzer, Bad Langensalza, DDR
2160/3020-54321
Vorwort zur dreizehnten Auflage
Nachdem die zwölfte Auflage umfassend neu bearbeitet worden war, weist die
dreizehnte Auflage gegenüber der zwölften nur wenige Änderungen auf: Alle
Zahlenangaben für Stoffe igenschaften wurden überprüft und dem neuesten Stand
angepaßt. Es wurden Zeichnungen erneuert, Druckfehler beseitigt und kleinere
Verbesserungen vorgenommen. Im Abschnitt über Wärmeübertragung haben wir
ältere durch neuere, genauere Gleichungen ersetzt.
Stuttgart K. Stephan
München, im Frühjahr 1990 F. Mayinger
Vorwort zur zwölften Auflage
Die zwölfte Auflage unterscheidet sich von den vorangegangenen durch eine
umfassende Neubearbeitung. Trotz vieler Änderungen waren wir aber bemüht,
Ziel und Anlage des Buches zu erhalten,
Es soll als Lehrbuch der Thermodynamik den Studierenden, vor allem den
der Ingenieurwissenschaften, mit den Grundlagen der Thermodynamik und
ihren technischen Anwendungen vertraut machen. Die im Vergleich zu anderen
Lehrbüchern reichliche Ausstattung mit Zahlenangaben für Stoffeigenschaften,
die sich schon in den früheren Auflagen bewährte, wurde weiter beibehalten.
Dadurch wird die Lösung praktischer Aufgaben erleichtert, und dem Leser
,bleibt das oft mühsame 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 Tätigen 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
sätzen, neuen Begriffen und mathematischen Kenntnissen auskommt. Dies mag
vor allem an den Schwierigkeiten liegen, die wenigen, aber abstrakten Grund
lagen auf konkrete technische und physikalische Vorgänge anzuwenden. Es war
daher unser Bestreben, die Grundlagen trotz aller gebotenen wissenschaftlichen
Strenge stets so anschaulich wie möglich darzubieten, und wir haben außerdem,
VI Vorwort
wie in den früheren Auflagen, unmittelbar im Anschluß an entwickelte Sätze die
damit schon behandelbaren Anwendungen angeschlossen. Zahlreiche Übungs
aufgaben, deren Lösungen man im Anhang findet, sollen zu eigenem Rechnen
anleiten und den Stoff vertiefen.
Als besonders anschaulich und einprägsam für die Darstellung des ersten und
zweiten Hauptsatzes erwies sich der Begriff der Austauschvariablen. Sie ist die
jenige Variable, über die ein System Kontakt zu seiner Umgebung aufnimmt.
Die Entropie ist in diesem Begriffssystem weiter nichts als diejenige Variable,
über die das System mit seiner Umgebung in Kontakt tritt, wenn es Wärme auf
nimmt. Wärme fließt dann über die Koordinate Entropie in das System auf
Kosten der Entropie der Umgebung. Die genauere Diskussion der Eigenschaften
dieses so zunächst anschaulich und dann in aller Strenge eingeführten Entropie
begriffes führt zwanglos zur Formulierung des zweiten Hauptsatzes. Auf seine
sorgfältige Behandlung wurde besonderer Wert gelegt, und es wurden, ausgehend
von seiner allgemeinsten Form, die verschiedenen speziellen, für bestimmte An
wendungen zweckmäßigen Formulierungen behandelt. Ausführlicher als sonst
üblich wurden auch die Begriffe der Dissipationsarbeit und Dissipationsenergie
erörtert. Mit Hilfe der Dissipationsarbeit ließ sich der erste Hauptsatz ohne
Kenntnis des zweiten bereits vollständig formulieren. Erst in Zusammenhang
mit dem zweiten Hauptsatz ergab sich dann, daß die Dissipationsarbeit nie negativ
sein kann. Die Begriffe der Dissipationsarbeit und -energie erwiesen sich weiter
als nützlich 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, über die aber zahl
reiche Spezialwerke vorliegen.
Im Interesse einer praxisorientierten Vermittlung des Stoffes wurden die tech
nischen Kreisprozesse bewußt ausführlich behandelt. Einen breiten Raum nimmt
die Diskussion der Dampfkraftprozesse ein. Kraftmaschinen werden in der
Praxis nicht mit idealen, sondern mit realen Gasen betrieben, und ihre Berechnung
erfolgt heute in der Regel auf elektronischen Rechenmaschinen. Deshalb werden
auch Zustandsgleichungen für reale Gase, insbesondere für Wasserdampf, aus
führlich behandelt.
Die vorliegende zwölfte Auflage enthält im Unterschied zur elften wie alle frü
heren Auflagen wieder eine kurzgefaßte Einführung in die Wärmeübertragung
(Kapitel IX) etwa in dem Umfang wie sie in den Grundlagenvorlesungen für
Maschinen- und Verfahrensingenieure gelehrt wird. Wir haben uns zu diesem
Schritt entschlossen, weil die Grundgesetze der Wärmeübertragung zwanglos
aus den Hauptsätzen der Thermodynamik folgen, weswegen auch an vielen Hoch
schulen eine Einführung in die Wärmeübertragung im Rahmen der Thermo
dynamik gelehrt wird.
Das Kapitel über Strömungsprozesse haben wir knapper gefaßt und auf den
Abschnitt über Zweiphasenströmungen ganz verzichtet, da hierüber inzwischen
viele Spezialwerke erschienen sind.
Von den zahlreichen übrigen Änderungen seien folgende genannt: Die Dar
stellung des ersten Hauptsatzes haben wir erweitert. Den Betrachtungen voran-
Vorwort VII
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 erörtert: Auf Prozesse in geschlossenen
Systemen, auf stationäre und dann auf instationäre Prozesse in offenen Systemen.
Die Thermodynamik des Wärmekraftprozesses, der Kälteerzeugung und der
Wärmepumpe wurde eingehender als bisher mit Hilfe der Exergie erklärt, die für
das Verständnis dieser Vorgänge besonders hilfreich ist. Alle Tabellen und Dia
gramme wurden neu berechnet und die Angaben auf den neuesten Stand ge
bracht.
Trotz Einführung des Internationalen Einheitensystems wird der Ingenieur
in den kommenden Jahren immer noch hin und wieder mit den technischen oder
den in anderen Industrieländern gebräuchlichen Einheitensystemen umgehen
müssen, zumal eine große Zahl von Tabellen der Stoffeigenschaften in diesen
Einheiten vorhanden sind. Wir haben daher ein Kapitel über Einheitensysteme
mit Tabellen über wichtige Umrechnungsfaktoren beibehalten.
Für wertvolle Ratschläge 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 für das Mit
lesen der Korrekturen und für viele Anregungen, dem Springer-Verlag für die
angenehme Zusammenarbeit und die sorgfältige Ausführung der Neuauflage.
Stuttgart K. Stephan
München, im Sommer 1986 F. Mayinger
Inhaltsverzeichnis
Liste der Formelzeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
I. Aufgabe und Grundbegriffe der Thermodynamik.
1. Aufgabe der Thermodynamik
2. Thermodynamische Systeme. 3
3. Die Koordinaten des Systems 4
4. Einige Eigenschaften von Zustandsgrößen . 6
H. Das thermodynamische Gleichgewicht und die empirische Temperatur 9
1. Das thermische Gleichgewicht . . . . . . . . . . . 9
2. Der nullte Hauptsatz und die empirische Temperatur. 11
3. Die internationale Temperaturskala 16
4. Praktische Temperaturmessung 19
a) Flüssigkeitsthermometer . 19
b) Widerstandsthermometer . 22
c) Thermoelemente. . . . . 23
d) Strahlungsthermometer . . 25
5. Maßsysteme und Einheiten. Größengleichungen 25
6. Die thermische Zustandsgleichung idealer Gase 31
6.1. Die Einheit der Stoffmenge. Die Gaskonstante und das Gesetz
von A vogadro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
rn. 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) Oberflächenfilme . . . . . . . 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 Wärme . . . . . . . . . 68
5. Anwendung des ersten Hautpsatzes auf geschlossene Systeme . 69
6. Messung und Eigenschaften von innerer Energie und Wärme. 70
7. Anwendung des ersten Hauptsatzes auf stationäre Prozesse in
offenen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8. Anwendung des ersten Hauptsatzes auf instationäre Prozesse in
offenen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9. Die kalorischen Zustandsgleichungen und die spezifischen Wärme-
kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.1 Die kalorischen Zustandsgleichungen und die spezifischen
Wärmekapazitäten der idealen Gase . . . . . . . . . 85
9.2 Die spezifischen Wärmekapazitäten der wirklichen Gase. 88
10. Einfache Zustandsänderungen idealer Gase. . . . . . . . . 97
a) Zustandsänderung bei konstantem Volum oder Isochore. 97
b) Zustandsänderung bei konstantem Druck oder Isobare. 98
c) Zustandsänderung bei konstanter Temperatur oder Isotherme 98
d) Quasistatische adiabate Zustandsänderungen . . . . . . . . 100
e) Polytrope Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . 103
f) Logarithmische Diagramme zur Darstellung von Zustandsände-
rungen ......................... 106
ll. Das Verdichten von Gasen und der Arbeitsgewinn durch Gasent-
spannung ......................... 107
IV. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 112
1. Das Prinzip der Irreversibilität. . . 112
2. Entropie und absolute Temperatur. 116
3. Die Entropie als vollständiges Differential und die absolute Tempera-
tur als integrierender Nenner . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4. Einführung des Entropiebegriffes und der absoluten Temperatur
skala mit Hilfe des integrierenden Nenners . . . . . . . . . 127
Inhaltsverzeichnis XI
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 Größe der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit,
Quantentheorie, Nernstsches Wärmetheorem . . 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 Schlußfolgerungen aus den verschiedenen Formulierungen des
zweiten Hauptsatzes . . . . . . . . . . . . . 145
a) Zusammenhang zwischen Entropie und Wärme 145
b) Zustandsänderungen adiabater Systeme. . . . 147
c) Isentrope Zustandsänderungen. . . . . . . . 148
7.3 Aussagen des ersten und zweiten Hauptsatzes über quasistati-
sche und über irreversible Prozesse . . . . . 148
7.4 Die Fundamentalgleichung . . . . . . . . . 152
7.5 Die Entropie idealer Gase und anderer Körper 155
7.6 Die Entropiediagramme . . . . . . . . . . . 159
7.7 Das Entropiediagramm der idealen Gase . . . 160
7.8 Beweis, daß die innere Energie idealer Gase nur von der Tempe-
ratur abhängt . . . . . . . . 162
8. Spezielle nichtumkehrbare Prozesse. . . . 163
a) Reibungsbehaftete Prozesse. . . . . . 163
b) Wärmeleitung unter Temperaturgefälle . 169
c) Drosselung . . . . . . . . . . . . . 171
d) Mischung und Diffusion . . . . . . . 173
9. Anwendung des zweiten Hauptsatzes auf Energieumwandlungen 177
9.1 Einfluß der Umgebung auf Energieumwandlungen 177
9.2 Berechnung von Exergien . . . . . . . . 179
a) Die Exergie eines geschlossenen Systems 179
b) Die Exergie eines offenen Systems . . . 181
c) Die Exergie einer Wärme. . . . . . . 182
d) Die Exergie bei der Mischung zweier idealer Gase 186
9.3 Verluste durch Nichtumkehrbarkeiten. . . . . . . . 187
V. Thermodynamische Eigenschaften der Materie . . . . . . . . . . 192
1. Darstellung der Eigenschaften durch Zustandsgleichungen. Messung
von Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . 192
2. Gase und Dämpfe, die p,v,T-Diagramme . . . . 194
2.1 Die kalorischen Zustandsgrößen von Dämpfen . 203