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Vorwort zur siebzehnten Auflage |
8 |
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Inhaltsverzeichnis |
10 |
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Formelzeichen |
16 |
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1 Grundlagen der Thermodynamik |
20 |
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1.1 Aufgabe der Thermodynamik |
20 |
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1.2 Größen und Einheitensysteme |
20 |
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1.2.1 Physikalische Größen und Größenarten |
20 |
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1.2.2 Größengleichungen |
21 |
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1.2.3 Zahlenwertgleichungen |
22 |
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|
1.2.4 Einheitensysteme |
23 |
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|
1.3 Thermische Zustandsgrößen |
26 |
|
|
1.3.1 Volumen |
26 |
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|
1.3.2 Druck |
27 |
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1.3.3 Temperatur |
32 |
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|
1.4 Thermische Zustandsgleichung |
35 |
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|
1.4.1 Thermische Zustandsgleichung eines homogenen Systems |
35 |
|
|
1.4.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases |
35 |
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1.5 Mengenmaße Kilomol und Normvolumen |
39 |
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1.5.1 Kilomol |
39 |
|
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1.5.2 Normvolumen |
40 |
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|
1.5.3 Molare Gaskonstante |
41 |
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|
1.6 Thermische Ausdehnung |
43 |
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|
1.6.1 Längenänderung |
43 |
|
|
1.6.2 Volumenänderung |
45 |
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|
1.7 Thermodynamisches System |
49 |
|
|
1.7.1 Systeme und Systemgrenzen |
49 |
|
|
1.7.2 Zustandsgrößen und Prozessgrößen |
50 |
|
|
1.7.3 Zustandsänderungen und Prozesse |
51 |
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|
Kontrollfragen |
54 |
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2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik |
55 |
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2.1 Energieerhaltung, Energiebilanz |
55 |
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|
2.2 Arbeit am geschlossenen System |
55 |
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|
2.3 Innere Energie |
59 |
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|
2.4 Wärme |
61 |
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|
2.5 Arbeit am offenen System und Enthalpie |
63 |
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|
2.6 Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik |
69 |
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|
2.7 Kalorische Zustandsgleichungen |
71 |
|
|
2.7.1 Kalorische Zustandsgleichungen eines homogenen Systems |
71 |
|
|
2.7.2 Spezifische Wärmekapazitäten eines homogenen Systems |
71 |
|
|
2.7.3 Kalorische Zustandsgleichungen des idealen Gases |
75 |
|
|
2.7.4 Spezifische Wärmekapazitäten des idealen Gases |
78 |
|
|
2.7.5 Molare Wärmekapazitäten des idealen Gases |
81 |
|
|
Kontrollfragen |
83 |
|
|
3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik |
85 |
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|
3.1 Aussagen des zweiten Hauptsatzes |
85 |
|
|
3.2 Entropie |
85 |
|
|
3.2.1 Einführung der Entropie |
85 |
|
|
3.2.2 Entropiebilanzen |
87 |
|
|
3.2.3 T,S-Diagramm |
91 |
|
|
3.3 Fundamentalgleichungen |
92 |
|
|
3.4 Einfache Zustandsänderungen des idealen Gases |
93 |
|
|
3.4.1 Isochore Zustandsänderung |
94 |
|
|
3.4.2 Isobare Zustandsänderung |
97 |
|
|
3.4.3 Isotherme Zustandsänderung |
101 |
|
|
3.4.4 Isentrope Zustandsänderung |
106 |
|
|
3.4.5 Polytrope Zustandsänderung |
112 |
|
|
3.4.6 Zustandsänderungen in adiabaten Systemen |
121 |
|
|
3.5 Kreisprozesse |
124 |
|
|
3.5.1 Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen |
124 |
|
|
3.5.2 Arbeit und Prozessverlauf |
125 |
|
|
3.5.3 Wärmekraftmaschine |
129 |
|
|
3.5.4 Grenzen der thermischen Energieumwandlung |
132 |
|
|
3.5.5 Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse |
135 |
|
|
3.5.6 Wärmepumpe und Kältemaschine |
140 |
|
|
3.6 Adiabate Drosselung |
143 |
|
|
3.7 Instationäre Prozesse |
147 |
|
|
3.7.1 Fülllen eines Behälters |
147 |
|
|
3.7.2 Temperaturausgleich |
148 |
|
|
3.8 Wärmetransport |
152 |
|
|
3.8.1 Entropieerzeugung beim Wärmetransport |
152 |
|
|
3.8.2 Thermodynamische Mitteltemperatur |
153 |
|
|
3.9 Exergie und Anergie |
155 |
|
|
3.9.1 Begrenzte Umwandelbarkeit der inneren Energie und der Wärme |
155 |
|
|
3.9.2 Exergie und Anergie eines strömenden Fluids |
156 |
|
|
3.9.3 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems |
160 |
|
|
3.9.4 Exergie und Anergie der Wärme |
161 |
|
|
3.9.5 Exergieverlust |
165 |
|
|
3.9.6 Exergetischer Wirkungsgrad |
168 |
|
|
3.9.7 Energie- und Exergie-Flussbild |
168 |
|
|
Kontrollfragen |
170 |
|
|
4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen |
173 |
|
|
4.1 Kreisprozesse für Wärme- und Verbrennungskraftanlagen |
173 |
|
|
4.1.1 Vergleichsprozesse |
173 |
|
|
4.1.2 Bewertungszahlen für die Kreisprozesse |
174 |
|
|
4.2 Kreisprozesse der Gasturbinenanlagen |
180 |
|
|
4.2.1 Arbeitsprinzip der Gasturbinenanlagen |
180 |
|
|
4.2.2 Joule-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage |
181 |
|
|
4.2.3 Ericsson-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage |
189 |
|
|
4.2.4 Der wirkliche Prozess in der Gasturbinenanlage |
192 |
|
|
4.3 Kreisprozess des Heißgasmotors |
200 |
|
|
4.3.1 Arbeitsprinzip des Heißgasmotors |
200 |
|
|
4.3.2 Stirling-Prozess als Vergleichsprozess des Heißgasmotors |
200 |
|
|
4.3.3 Der wirkliche Prozess im Heißgasmotor |
202 |
|
|
4.4 Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren |
204 |
|
|
4.4.1 Übertragung des Arbeitsprinzips der Motoren in einen Kreisprozess |
204 |
|
|
4.4.2 Otto-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gleichraumprozess) |
204 |
|
|
4.4.3 Diesel-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gleichdruckprozess) |
208 |
|
|
4.4.4 Seiliger-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gemischter Vergleichsprozess) |
210 |
|
|
4.4.5 Der wirkliche Prozess in den Verbrennungsmotoren |
212 |
|
|
4.5 Kolbenverdichter |
213 |
|
|
4.5.1 Der verlustlose Kolbenverdichter ohne Schadraum |
213 |
|
|
4.5.2 Bewertungszahlen für den Kolbenverdichter |
218 |
|
|
Kontrollfragen |
225 |
|
|
5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen |
226 |
|
|
5.1 Das reale Verhalten der Stoffe |
226 |
|
|
5.1.1 Aggregatzustandsänderungen, Phasenwechsel |
226 |
|
|
5.1.2 Thermische Zustandsgleichungen realer Fluide |
230 |
|
|
5.1.3 p,v,T-Diagramm |
233 |
|
|
5.2 Wasserdampf |
234 |
|
|
5.2.1 Zustandsgleichungen des Wasserdampfes |
234 |
|
|
5.2.2 Spezifische Zustandsgrößen |
235 |
|
|
5.2.3 Gleichung von Clausius und Clapeyron |
246 |
|
|
5.2.4 Zustandsänderungen des Wasserdampfes |
247 |
|
|
5.3 Dampfkraftanlagen |
250 |
|
|
5.3.1 Arbeitsprinzip der Dampfkraftanlagen |
250 |
|
|
5.3.2 Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess der Dampfkraftanlage |
251 |
|
|
5.3.3 Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades |
256 |
|
|
5.3.4 Zwischenüberhitzen. Verfahren zur Verringerung des Wassergehaltes im Abdampf |
262 |
|
|
5.3.5 Der wirkliche Prozess in Dampfkraftanlagen |
264 |
|
|
5.4 Kombiniertes Gas-Dampf-Kraftwerk (GUD-Prozess) |
271 |
|
|
5.4.1 Zweck der Kombination |
271 |
|
|
5.4.2 Grundschaltung des Gas-Dampf-Kraftwerkes |
271 |
|
|
5.4.3 Wirkungsgrade beim Gas-Dampf-Kraftwerk |
273 |
|
|
5.4.4 Schaltungsbeispiele |
275 |
|
|
5.5 Organische Rankine-Prozesse (ORC) |
281 |
|
|
5.5.1 Prozessverlauf |
281 |
|
|
5.5.2 Organische Arbeitsfluide |
282 |
|
|
5.6 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dämpfen |
287 |
|
|
Kontrollfragen |
292 |
|
|
6 Gemische |
294 |
|
|
6.1 Zusammensetzung von Gemischen |
294 |
|
|
6.1.1 Massenanteil |
294 |
|
|
6.1.2 Stoffmengenanteil (Molanteil) |
295 |
|
|
6.1.3 Molare Masse des Gemisches |
295 |
|
|
6.1.4 Beladung |
296 |
|
|
6.2 Ideale Gemische |
298 |
|
|
6.2.1 Gesetz von Amagat |
298 |
|
|
6.2.2 Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte |
299 |
|
|
6.2.3 Raumanteil |
300 |
|
|
6.2.4 Die extensiven Zustandsgrößen des idealen Gemisches |
302 |
|
|
6.3 Gemisch idealer Gase |
307 |
|
|
6.3.1 Thermische Zustandsgleichung |
307 |
|
|
6.3.2 Partialdruck (Gesetz von Dalton) |
307 |
|
|
6.3.3 Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase |
308 |
|
|
6.3.4 Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase |
311 |
|
|
6.4 Gas-Dampf-Gemisch |
314 |
|
|
6.4.1 Sättigungszustand, Taupunkt |
314 |
|
|
6.4.2 Feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches |
316 |
|
|
6.4.3 Zusammensetzung feuchter Luft |
317 |
|
|
6.4.4 Spezifisches Volumen feuchter Luft |
321 |
|
|
6.4.5 Spezifische Enthalpie feuchter Luft |
322 |
|
|
6.4.6 h,x-Diagramm von Mollier |
324 |
|
|
6.4.7 Einfache isobare Zustandsänderungen feuchter Luft im h,x-Diagramm |
327 |
|
|
Kontrollfragen |
335 |
|
|
7 Strömungsvorgänge |
338 |
|
|
7.1 Kontinuitätsgleichung |
338 |
|
|
7.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für Strömungsvorgänge |
339 |
|
|
7.2.1 Arbeitsprozesse |
339 |
|
|
7.2.2 Strömungsprozesse |
344 |
|
|
7.3 Kraftwirkung bei Strömungsvorgängen |
348 |
|
|
7.3.1 Impulssatz |
348 |
|
|
7.3.2 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen |
352 |
|
|
7.4 Düsen- und Diffusorströmung |
353 |
|
|
7.4.1 Energieumwandlung in Düsen und Diffusoren |
353 |
|
|
7.4.2 Reibungsfreie Düsenströmung |
355 |
|
|
7.4.3 Schallgeschwindigkeit |
359 |
|
|
7.4.4 Reibungsfreie Diffusorströmung |
359 |
|
|
7.4.5 Ausbildung einer Laval-Düse oder eines Überschall-Diffusors |
360 |
|
|
Kontrollfragen |
365 |
|
|
8 Wärmeübertragung |
366 |
|
|
8.1 Arten der Wärmeübertragung |
366 |
|
|
8.2 Wärmeleitung |
366 |
|
|
8.2.1 Ebene Wand |
366 |
|
|
8.2.2 Zylindrische Wand |
372 |
|
|
8.2.3 Hohlkugelwand |
373 |
|
|
8.3 Konvektiver Wärmeübergang |
374 |
|
|
8.3.1 Wärmeübergangsbeziehungen |
374 |
|
|
8.3.2 Ähnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs |
375 |
|
|
8.3.3 Wärmeübergang beim Kondensieren und Verdampfen |
386 |
|
|
8.4 Temperaturstrahlung |
390 |
|
|
8.4.1 Einführung |
390 |
|
|
8.4.2 Wärmeübertragung durch Strahlung |
395 |
|
|
8.4.3 Gas- und Flammenstrahlung |
396 |
|
|
8.5 Wärmedurchgang |
397 |
|
|
8.5.1 Wärmedurchgangsbeziehungen |
397 |
|
|
8.5.2 Beeinflussung des Wärmedurchgangs |
399 |
|
|
8.5.3 Zwischentemperaturen |
400 |
|
|
8.6 Wärmeübertrager |
400 |
|
|
8.6.1 Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom |
401 |
|
|
8.6.2 Berechnungsverfahren |
404 |
|
|
8.6.3 Verfahrensoptimierung bei der Wärmenutzung |
408 |
|
|
8.6.4 Exergieverlust im Wärmeübertrager |
409 |
|
|
Kontrollfragen |
411 |
|
|
9 Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen |
413 |
|
|
9.1 Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung |
413 |
|
|
9.1.1 Verbrennungstechnische Eigenschaften der Brennstoffe |
413 |
|
|
9.1.2 Verbrennungsvorgang |
416 |
|
|
9.1.3 Reaktionsgleichungen |
417 |
|
|
9.2 Verbrennungsrechnung |
418 |
|
|
9.2.1 Feste und flüssige Brennstoffe |
418 |
|
|
9.2.2 Gasförmige Brennstoffe |
427 |
|
|
9.2.3 Näherungslösungen |
431 |
|
|
9.3 Verbrennungskontrolle |
432 |
|
|
9.3.1 Messmethode |
432 |
|
|
9.3.2 Auswertung der Messung |
433 |
|
|
9.3.3 Verbrennungsdreiecke |
436 |
|
|
9.4 Theoretische Verbrennungstemperatur |
440 |
|
|
9.5 Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad |
446 |
|
|
9.5.1 Konventionelle Verbrennungsanlagen |
446 |
|
|
9.5.2 Verbrennungsanlagen mit Kondensation im Abgas |
447 |
|
|
9.6 Abgastaupunkt |
451 |
|
|
9.7 Emissionen aus Verbrennungsanlagen |
452 |
|
|
9.7.1 Einführung |
452 |
|
|
9.7.2 Minderung der Schwefeloxidemission |
456 |
|
|
9.7.3 Minderung der Stickoxidemission |
458 |
|
|
9.7.4 Minderung der Kohlendioxidemission |
461 |
|
|
9.8 Chemische Reaktionen und Irreversibilität der Verbrennung |
466 |
|
|
9.8.1 Enthalpie, Entropie, freie Enthalpie |
466 |
|
|
9.8.2 Brennstoffexergie |
474 |
|
|
9.8.3 Exergieverlust bei der Verbrennung |
478 |
|
|
9.9 Brennstoffzellen |
480 |
|
|
9.9.1 Wirkprinzip |
480 |
|
|
9.9.2 Energetische Bewertung |
481 |
|
|
9.9.3 Bauarten |
485 |
|
|
Kontrollfragen |
489 |
|
|
10 Lösungsergebnisse der Aufgaben |
491 |
|
|
11 Antworten auf die Kontrollfragen |
501 |
|
|
11.1 Grundlagen der Thermodynamik |
501 |
|
|
11.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik |
502 |
|
|
11.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik |
504 |
|
|
11.4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen |
507 |
|
|
11.5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen |
508 |
|
|
11.6 Gemische |
510 |
|
|
11.7 Strömungsvorgänge |
512 |
|
|
11.8 Wärmeübertragung |
512 |
|
|
11.9 Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen |
514 |
|
|
Anhang |
516 |
|
|
A1 Schrifttum |
516 |
|
|
A2 Nachweis verwendeter Unterlagen |
518 |
|
|
A3 Wiederholung haufig benutzter Tafeln |
519 |
|
|
Sachwortverzeichnis |
536 |
|