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Technische Thermodynamik

Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen

Autor	Gernot Wilhelms, Günter Cerbe
Verlag	Carl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr	2013
Seitenanzahl	540 Seiten
ISBN	9783446437500
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	23,99 EUR

Dieses Studienbuch zählt zu den Standard-Lehrbüchern der Thermodynamik.
Es fasst das Grundwissen der technischen Thermodynamik kompakt in nur einem Band zusammen, der neben den grundlegenden thermodynamischen Fragen auch die Grundlagen der Gemische, der Strömungsvorgänge, der Wärmeübertragung, der chemischen Reaktionen, der Brennstoffzelle und der Verbrennung enthält. Das Lehrbuch hat sich seit fast 40 Jahren bewährt und wurde durch regelmäßige Neuauflagen ständig aktualisiert. Neue Entwicklungen konnten dadurch fortlaufend berücksichtigt werden.
Das Gesamtkonzept des Werkes wurde bis zu dieser Auflage unverändert beibehalten: Hinführung von der gut fundierten, in überschaubaren Schritten dargestellten thermodynamischen Theorie zu den technischen Anwendungen, Möglichkeit des Selbststudiums und Praxisbezug durch 129 Beispiele mit Lösungen, 137 Aufgaben und 181 Kontrollfragen mit Ergebnissen und Antworten sowie leichte Benutzbarkeit durch viele Bilder, ablesbare Diagramme und Tabellen.
Das Buch ist ein Standardwerk für Ingenieur- und Physikstudenten an Technischen Universitäten/Hochschulen und Fachhochschulen. Für Berufspraktiker der Energietechnik ist es ein Nachschlagewerk mit großer Informationsdichte.

Prof. Dr.-Ing. Günter Cerbe und Prof. Dr.-Ing. Gernot Wilhelms,
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Wolfenbüttel, Fakultät Versorgungstechnik, Labor für Energie- und Kältetechnik

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Blick ins Buch

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur siebzehnten Auflage	8
Inhaltsverzeichnis	10
Formelzeichen	16
1 Grundlagen der Thermodynamik	20
1.1 Aufgabe der Thermodynamik	20
1.2 Größen und Einheitensysteme	20
1.2.1 Physikalische Größen und Größenarten	20
1.2.2 Größengleichungen	21
1.2.3 Zahlenwertgleichungen	22
1.2.4 Einheitensysteme	23
1.3 Thermische Zustandsgrößen	26
1.3.1 Volumen	26
1.3.2 Druck	27
1.3.3 Temperatur	32
1.4 Thermische Zustandsgleichung	35
1.4.1 Thermische Zustandsgleichung eines homogenen Systems	35
1.4.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases	35
1.5 Mengenmaße Kilomol und Normvolumen	molare Gaskonstante	39
1.5.1 Kilomol	39
1.5.2 Normvolumen	40
1.5.3 Molare Gaskonstante	41
1.6 Thermische Ausdehnung	43
1.6.1 Längenänderung	43
1.6.2 Volumenänderung	45
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
Kontrollfragen	54
2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik	55
2.1 Energieerhaltung, Energiebilanz	55
2.2 Arbeit am geschlossenen System	55
2.3 Innere Energie	59
2.4 Wärme	61
2.5 Arbeit am offenen System und Enthalpie	63
2.6 Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik	69
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
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	Feuchte Luft	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

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