Thermodynamik.Grundlagen und technische Anwendungen Band 1.. Einstoffsysteme (Springer, 2007)(ISBN 3540708138)

504 Pages·2007·7.46 MB·English

by  Peter Stephan

Springer-Lehrbuch
Peter Stephan · Karlheinz Schaber
Karl Stephan · Franz Mayinger
Thermodynamik
Grundlagen und technische Anwendungen
Band 1: Einstoffsysteme
17.Auflage
Mit195Abbildungenund43Tabellen
123
ProfessorDr.-Ing.PeterStephan
FachgebietfürTechnischeThermodynamik
TechnischeUniversitätDarmstadt
Petersenstr.30
64297Darmstadt
ProfessorDr.-Ing.KarlheinzSchaber
InstitutfürTechnischeThermodynamikundKältetechnik
UniversitätKarlsruhe(TH)
Engler-Bunte-Ring21
76131Karlsruhe
Professorem.Dr.-Ing.Dr.-Ing.E.h.mult.KarlStephan
InstitutfürTechnischeThermodynamikundThermischeVerfahrenstechnik
UniversitätStuttgart
Professorem.Dr.-Ing.Dr.-Ing.E.h.mult.FranzMayinger
LehrstuhlfürThermodynamik
TechnischenUniversitätMünchen
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detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
ISBN 978-3-540-70813-1 17.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN 978-3-540-22035-0 16.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwort zur siebzehnten Auflage
DiesechzehnteAuflageerschienvoreineinhalbJahrenalseineumfassendeNeube-
arbeitungdesbekanntenLehrbuchesvonKarlStephanundFranzMayinger.Diegu-
teAufnahmeunseresBuchesbeiStudierendenundIngenieurenmachtebereitsnach
nureinemJahreinenNachdruckerforderlich.BeiderumfassendenNeubearbeitung
hattensichtrotzsorgfa¨ltigenKorrekturlesensleidereinigeDruckfehlereingeschli-
chen.Gespra¨chemitunserenStudierendenundKollegenfu¨hrtenzudemdazu,dass
wiranwenigenStellenFormulierungenetwaspra¨zisiertundeinigegenauereStoff-
werteaufgenommenhaben.DaherfolgtnunbereitsdievorliegendesiebzehnteAuf-
lagedesBuches.Inihrhabenwirdiegenannten A¨nderungeneingearbeitetundnun
hoffentlich alle Druckfehler beseitigt. Mo¨ge unser Buch auch weiterhin Gefallen
findenunddenLeserndieGrundlagenundtechnischenAnwendungenderThermo-
dynamiknahebringen.
Darmstadt PeterStephan
Karlsruhe,imDezember2006 KarlheinzSchaber
VI Vorwort
Vorwort zur sechzehnten Auflage
Das vorliegende Buch ist eine umfassende Neubearbeitung des bekannten Lehr-
buchesvonKarlStephanundFranzMayinger Thermodynamik:Grundlagenund
”
technischeAnwendungen“,daszuletztals15.Auflage1998erschienenist.DerUr-
sprungdesWerkesistdasLehrbuchvonErnstSchmidt TechnischeThermodyna-
”
mik;GrundlagenundAnwendungen“,das1936erstmalsundzuletztals10.Aufla-
ge1963unterdemTitel Einfu¨hrungindieTechnischeThermodynamikundindie
”
GrundlagenderchemischenThermodynamik“erschien.
Karl Stephan und Franz Mayinger haben als Autoren der 11. bis 15. Auflage
einevollsta¨ndigeNeubearbeitungvorgenommenunddasWerkummehrereKapitel
erga¨nzt,insbesondereimBereichderMehrstoffsystemeunddertechnischenStoff-
trennprozesse.Seitder11.Auflage,1975,erscheintdasBuchinzweiBa¨nden,von
denendererstedieThermodynamikderEinstoffsysteme,derzweitediederMehr-
stoffsystemeundderchemischenReaktionenbehandelt.
Der Tradition des bekannten Lehrbuches verpflichtet, das viele Generatio-
nen von Studierenden der Ingenieurwissenschaften begleitet hat, haben wir die
bewa¨hrten Inhalte und deren Aufteilung auf zwei Ba¨nde weitgehend beibehalten.
Diesgiltauchfu¨rdieimVergleichzuanderenLehrbu¨chernreichlicheAusstattung
mitZahlenangabenfu¨rStoffeigenschaften.
WesentlicheA¨nderungenwurdendagegenimvorliegendenerstenBandander
StrukturderDarstellungvorgenommen.ImMittelpunktder U¨berlegungenstandda-
bei, die zentrale Bedeutungder Bilanzen von Masse, EnergieundEntropiein der
Thermodynamikundderen Analogiensta¨rker zur Geltungzu bringen.So wurden
beispielsweise die allgemeingu¨ltige Methode einer Bilanzierung den Ableitungen
derbeidenHauptsa¨tzevorangestelltunddieKapitelzurEnergiebilanzbzw.zumer-
stenHauptsatzsowiezurEntropiebilanzbzw.zumzweitenHauptsatza¨hnlichstruk-
turiert.DieBilanzgleichungenfu¨rEnergieundEntropiewerdenzuna¨chstumfassend
undallgemeingu¨ltigfu¨rbeliebigethermodynamischeSystemevorgestelltunderst
dannaufSpezialfa¨lleangewandt.ThermischeundkalorischeZustandsgleichungen
werden in jeweils eigenen Kapiteln getrennt von den Hauptsa¨tzen behandelt. Bei
derBeschreibungderStoffeigenschaftenhabenwirdieErgebnisseneuererArbeiten
eingearbeitet.IndasKapitelu¨berthermodynamischeProzessehabenwireingangs
Beschreibungen und Berechnungsgrundlageneinzelner Anlagenkomponentenwie
beispielsweisePumpenoderTurbineneingefu¨gt.DemGedankenfolgendvomAll-
gemeinen ausgehend das Spezielle abzuleiten, sind den technischen Kreisprozes-
sen allgemeine Betrachtungen u¨ber Wa¨rmekraftmaschinen, Ka¨ltemaschinen und
Wa¨rmepumpenvorangestellt.
Wiedievorausgegangenenentha¨ltauchdieNeuauflageeineEinfu¨hrungindie
Wa¨rmeu¨bertragung, etwa in dem Umfang wie sie in den Grundlagenvorlesungen
des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik bzw. Chemieingenieurtechnik ge-
lehrtwird.
Vorwort VII
Gegenu¨berdenfru¨herenAuflagenhabenwirdieFormelzeicheneinigerGro¨ßen
gea¨ndert, wobei fu¨r uns eine konsequente, in sich konsistente Bezeichnung ther-
modynamischer Gro¨ßen von vorrangiger Bedeutung war. Der Anhang wurde um
einGlossar mit kurzenErla¨uterungenderwichtigstenthermodynamischeBegriffe
erga¨nzt.
DieThermodynamikwirdvondenStudierendenallgemeinalseinesderschwie-
rigstenWissensgebieteangesehen,obwohlsiemitnurwenigenLehrsa¨tzenundma-
thematischenKenntnissenauskommt.DiesmagvorallemandenSchwierigkeiten
liegen,diewenigen,aberoftsehrabstrakten,allgemeingu¨ltigenGesetze aufkon-
krete technische und physikalische Vorga¨nge anzuwenden. Die neue Struktur der
DarstellungdesBuchessolldazubeitragen,dieseSchwierigkeitenzuvermindern.
Der Tradition des Buches folgend werden dabei die Grundlagen trotz aller gebo-
tenenwissenschaftlichenStrengestetssoanschaulichwiemo¨glichdargebotenund
unmittelbarimAnschlussandieentwickeltenSa¨tzederenAnwendungendargestellt
unddurchpraxisnaheBeispielesowiezahlreiche U¨bungsaufgabenvertieft.
DenehemaligenAutoren,KarlStephanundFranzMayinger,sindwirfu¨rwert-
volleHinweiseundRatschla¨gezuDankverpflichtet.DemSpringer-Verlagdanken
wirfu¨rdieangenehmeZusammenarbeitundunserenMitarbeiternClemensMeyer
undMichaelKempffu¨rdiesorgfa¨ltigeErstellungderdruckfa¨higenDatei.
Darmstadt PeterStephan
Karlsruhe,imJuni2005 KarlheinzSchaber
Inhaltsverzeichnis
ListederFormelzeichen XV
1. GegenstandundGrundbegriffederThermodynamik 1
1.1 GegenstandderThermodynamik.............................. 1
1.2 ThermodynamischeSysteme................................. 3
1.3 DieKoordinatenundderZustandeinesSystems................. 5
1.4 Zustandsgro¨ßenundSystemeigenschaften...................... 7
1.5 MaßsystemeundEinheiten.Gro¨ßengleichungen................. 10
1.5.1 DasInternationaleEinheitensystem..................... 10
1.5.2 AndereEinheitensysteme ............................. 13
1.5.3 Gro¨ßengleichungen.................................. 14
2. DasthermodynamischeGleichgewichtunddieempirischeTemperatur 15
2.1 DasthermodynamischeGleichgewicht......................... 15
2.2 DernullteHauptsatzunddieempirischeTemperatur ............. 18
2.3 DieinternationaleTemperaturskala............................ 22
2.4 PraktischeTemperaturmessung............................... 24
2.4.1 Flu¨ssigkeitsthermometer.............................. 24
2.4.2 Widerstandsthermometer ............................. 27
2.4.3 Thermoelemente .................................... 28
2.4.4 Strahlungsthermometer............................... 30
3. DiethermischeZustandsgleichung 31
3.1 DastotaleDifferentialderthermischenZustandsgleichung........ 32
3.2 DiethermischeZustandsgleichungdesidealenGases ............ 35
3.3 DieEinheitStoffmengeunddieuniverselleGaskonstante......... 37
4. Energieformen 41
4.1 Systemenergie ............................................. 42
4.1.1 MechanischeEnergie ................................ 42
4.1.2 InnereEnergieundihrekinetischeDeutung.............. 43
X Inhaltsverzeichnis
4.2 Arbeit .................................................... 47
4.2.1 MechanischeArbeit.................................. 48
4.2.2 Volumena¨nderungsarbeitundNutzarbeit ................ 50
4.2.3 Wellenarbeit ....................................... 55
4.2.4 ElektrischeArbeit ................................... 56
4.2.5 WeitereArbeitsformen ............................... 57
4.2.6 VerallgemeinerungdesBegriffesArbeitunddiedissipierte
Arbeit ............................................. 66
4.3 Wa¨rme ................................................... 70
4.4 An Materietransport gebundene Energie und die Zustandsgro¨ße
Enthalpie ................................................. 71
5. MethodederBilanzierungundderersteHauptsatzder
Thermodynamik 73
5.1 DieallgemeineStruktureinerBilanzgleichung.................. 73
5.2 FormulierungdeserstenHauptsatzesunddietechnischeArbeit ... 74
5.3 DerersteHauptsatzfu¨rgeschlossenenSysteme ................. 76
5.4 MessungundEigenschaftenvoninnererEnergieundWa¨rme...... 79
5.5 DieMassenbilanzfu¨roffeneSysteme.......................... 81
5.6 DerersteHauptsatzfu¨roffeneSysteme ........................ 83
5.7 TechnischeArbeitinstationa¨rdurchstro¨mtenKontrollra¨umen ..... 85
6. DiekalorischenZustandsgleichungenunddiespezifischen
Wa¨rmekapazita¨ten 89
6.1 DiespezifischenWa¨rmekapazita¨tenderidealenGase ............ 91
6.2 DiemittlerenspezifischenWa¨rmekapazita¨tenderidealenGase .... 95
6.3 DiekalorischenZustandsgleichungeninkompressiblerStoffe...... 104
7. AnwendungendeserstenHauptsatzesderThermodynamik 107
7.1 Zustandsa¨nderungenidealerGase............................. 107
7.1.1 Zustandsa¨nderungenbeikonstantemVolumenoderIsochore 107
7.1.2 Zustandsa¨nderungbeikonstantemDruckoderIsobare..... 108
7.1.3 Zustandsa¨nderungbeikonstanterTemperaturoderIsotherme 109
7.1.4 DissipationsfreieadiabateZustandsa¨nderungen........... 110
7.1.5 PolytropeZustandsa¨nderungen ........................ 114
7.2 Kreisprozesse.............................................. 117
7.3 Wasserkraftwerke .......................................... 120
7.4 Stoffstrommischung ........................................ 121
7.5 Wa¨rmeu¨bertrager........................................... 122
7.6 VerdichtenundEntspannenidealerGase ....................... 123
7.7 Stro¨mungendurchKana¨lemitQuerschnittsa¨nderungen........... 126
7.8 Drosselvorga¨nge ........................................... 128
Inhaltsverzeichnis XI
7.9 U¨berstro¨mvorga¨nge......................................... 130
8. DasPrinzipderIrreversibilita¨tunddieZustandsgro¨ßeEntropie 135
8.1 DasPrinzipderIrreversibilita¨t................................ 135
8.2 EntropieundabsoluteTemperatur............................. 140
8.3 DieEntropiealsvollsta¨ndigesDifferentialunddieabsolute
TemperaturalsintegrierenderNenner.......................... 146
8.3.1 MathematischeGrundlagenzumintegrierendenNenner.... 146
8.3.2 Einfu¨hrung des Entropiebegriffes und der absoluten
TemperaturskalamitHilfedesintegrierendenNenners..... 151
8.4 StatistischeDeutungderEntropie............................. 154
8.4.1 DiethermodynamischeWahrscheinlichkeiteinesZustandes 154
8.4.2 EntropieundthermodynamischeWahrscheinlichkeit ...... 157
8.4.3 DieendlicheGro¨ßederthermodynamischen
Wahrscheinlichkeit,Quantentheorie,
NernstschesWa¨rmetheorem........................... 158
8.5 GibbsscheFundamentalgleichungen........................... 160
8.6 Zustandsgleichungenfu¨rdieEntropieundEntropiediagramme .... 164
8.6.1 DieEntropieidealerGaseundandererStoffe............. 164
8.6.2 DieEntropiediagramme .............................. 166
9. EntropiebilanzundderzweiteHauptsatzderThermodynamik 169
9.1 AustauschprozesseunddasthermodynamischeGleichgewicht..... 169
9.2 Entropiebilanz und allgemeine Formulierung des zweiten
Hauptsatzes ............................................... 172
9.3 DerzweiteHauptsatzfu¨rgeschlosseneSysteme................. 174
9.3.1 ZusammenhangzwischenEntropieundWa¨rme .......... 177
9.3.2 Zustandsa¨nderungengeschlosseneradiabaterSysteme..... 179
9.3.3 IsentropeZustandsa¨nderungen......................... 180
9.4 DerzweiteHauptsatzfu¨roffeneSysteme....................... 181
9.5 EntropiebilanzundKreisprozesse............................. 184
10.AnwendungdeszweitenHauptsatzesderThermodynamik 189
10.1 ReibungsbehafteteProzesse.................................. 189
10.2 Wa¨rmeleitungunterTemperaturgefa¨lle ........................ 194
10.3 Drosselung................................................ 196
10.4 MischungundDiffusion..................................... 199
10.5 IsentropeStro¨mungeinesidealenGasesdurchDu¨sen ............ 203
11.EnergieumwandlungenundExergie 213
11.1 EinflussderUmgebungaufEnergieumwandlungen .............. 213
11.2 DieExergieeinesgeschlossenenSystems ...................... 214
11.3 DieExergieeinesStoffstroms ................................ 216
XII Inhaltsverzeichnis
11.4 DieExergieeinerWa¨rme.................................... 218
11.5 DieExergiebeiderMischungzweieridealerGase............... 218
11.6 ExergieverlustundExergiebilanz ............................. 219
12.BeziehungenzwischenkalorischenundthermischenZustandsgro¨ßen 227
12.1 Darstellung der thermodynamischen Eigenschaften durch
Zustandsgleichungen ....................................... 227
12.2 Innere Energie und Enthalpie als Funktion der thermischen
Zustandsgro¨ßen............................................ 229
12.3 DieEntropiealsFunktionderthermischenZustandsgro¨ßen ....... 233
12.4 DiespezifischenWa¨rmekapazita¨ten ........................... 235
13.ThermodynamischeEigenschaftenderMaterie 237
13.1 ThermischeZustandsgro¨ßenundp,v,T-Diagramme .............. 238
13.2 KalorischeZustandsgro¨ßen.Enthalpie-undEntropiediagramme ... 250
13.2.1 KalorischeZustandsgro¨ßenvonDa¨mpfen ............... 250
13.2.2 TabellenundDiagrammederkalorischenZustandsgro¨ßen.. 254
13.3 DieGleichungvonClausiusundClapeyron..................... 262
13.4 SpezifischeWa¨rmekapazita¨tundEntropiefesterKo¨rper .......... 266
13.4.1 DasGefrierenvonWasser ............................ 266
13.4.2 KristallineFestko¨rper ................................ 267
13.5 Zustandsgleichungenfu¨rrealeFluide.......................... 269
13.5.1 RealeGase ......................................... 269
13.5.2 Dievan-der-WaalsscheZustandsgleichung............... 272
13.5.3 DaserweiterteKorrespondenzprinzip................... 278
13.5.4 Zustandsgleichungen fu¨r den praktischen Gebrauch und
Stoffdaten. ......................................... 279
13.5.5 ZustandsgleichungendesWasserdampfes................ 283
13.6 Zustandsa¨nderungenrealerFluide............................. 285
13.6.1 DieadiabateDrosselungrealerGase.................... 285
13.6.2 Zustandsa¨nderungenimNassdampfgebiet ............... 289
14.ThermodynamischeProzesse,MaschinenundAnlagen 295
14.1 ThermodynamischeModellevonAnlagenkomponenten .......... 296
14.1.1 Pumpen............................................ 296
14.1.2 Verdichter,KompressorenundVentilatoren .............. 297
14.1.3 Turbinen ........................................... 299
14.1.4 VerdampferundKondensatoren........................ 300
14.2 Rechtsla¨ufigeundlinksla¨ufigeKreisprozesse.
Wa¨rmekraftmaschinen,Ka¨ltemaschinenundWa¨rmepumpen ...... 301
14.3 Derrechtsla¨ufigeCarnotscheKreisprozess
undseineAnwendungaufdasidealeGas....................... 305