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Technische Thermodynamik

Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen

AutorGünter Cerbe, Gernot Wilhelms
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2013
Seitenanzahl540 Seiten
ISBN9783446437500
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis23,99 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 Auflage8
Inhaltsverzeichnis10
Formelzeichen16
1 Grundlagen der Thermodynamik20
1.1 Aufgabe der Thermodynamik20
1.2 Größen und Einheitensysteme20
1.2.1 Physikalische Größen und Größenarten20
1.2.2 Größengleichungen21
1.2.3 Zahlenwertgleichungen22
1.2.4 Einheitensysteme23
1.3 Thermische Zustandsgrößen26
1.3.1 Volumen26
1.3.2 Druck27
1.3.3 Temperatur32
1.4 Thermische Zustandsgleichung35
1.4.1 Thermische Zustandsgleichung eines homogenen Systems35
1.4.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases35
1.5 Mengenmaße Kilomol und Normvolumen molare Gaskonstante39
1.5.1 Kilomol39
1.5.2 Normvolumen40
1.5.3 Molare Gaskonstante41
1.6 Thermische Ausdehnung43
1.6.1 Längenänderung43
1.6.2 Volumenänderung45
1.7 Thermodynamisches System49
1.7.1 Systeme und Systemgrenzen49
1.7.2 Zustandsgrößen und Prozessgrößen50
1.7.3 Zustandsänderungen und Prozesse51
Kontrollfragen54
2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik55
2.1 Energieerhaltung, Energiebilanz55
2.2 Arbeit am geschlossenen System55
2.3 Innere Energie59
2.4 Wärme61
2.5 Arbeit am offenen System und Enthalpie63
2.6 Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik69
2.7 Kalorische Zustandsgleichungen71
2.7.1 Kalorische Zustandsgleichungen eines homogenen Systems71
2.7.2 Spezifische Wärmekapazitäten eines homogenen Systems71
2.7.3 Kalorische Zustandsgleichungen des idealen Gases75
2.7.4 Spezifische Wärmekapazitäten des idealen Gases78
2.7.5 Molare Wärmekapazitäten des idealen Gases81
Kontrollfragen83
3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik85
3.1 Aussagen des zweiten Hauptsatzes85
3.2 Entropie85
3.2.1 Einführung der Entropie85
3.2.2 Entropiebilanzen87
3.2.3 T,S-Diagramm91
3.3 Fundamentalgleichungen92
3.4 Einfache Zustandsänderungen des idealen Gases93
3.4.1 Isochore Zustandsänderung94
3.4.2 Isobare Zustandsänderung97
3.4.3 Isotherme Zustandsänderung101
3.4.4 Isentrope Zustandsänderung106
3.4.5 Polytrope Zustandsänderung112
3.4.6 Zustandsänderungen in adiabaten Systemen121
3.5 Kreisprozesse124
3.5.1 Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen124
3.5.2 Arbeit und Prozessverlauf125
3.5.3 Wärmekraftmaschine129
3.5.4 Grenzen der thermischen Energieumwandlung132
3.5.5 Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse135
3.5.6 Wärmepumpe und Kältemaschine140
3.6 Adiabate Drosselung143
3.7 Instationäre Prozesse147
3.7.1 Fülllen eines Behälters147
3.7.2 Temperaturausgleich148
3.8 Wärmetransport152
3.8.1 Entropieerzeugung beim Wärmetransport152
3.8.2 Thermodynamische Mitteltemperatur153
3.9 Exergie und Anergie155
3.9.1 Begrenzte Umwandelbarkeit der inneren Energie und der Wärme155
3.9.2 Exergie und Anergie eines strömenden Fluids156
3.9.3 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems160
3.9.4 Exergie und Anergie der Wärme161
3.9.5 Exergieverlust165
3.9.6 Exergetischer Wirkungsgrad168
3.9.7 Energie- und Exergie-Flussbild168
Kontrollfragen170
4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen173
4.1 Kreisprozesse für Wärme- und Verbrennungskraftanlagen173
4.1.1 Vergleichsprozesse173
4.1.2 Bewertungszahlen für die Kreisprozesse174
4.2 Kreisprozesse der Gasturbinenanlagen180
4.2.1 Arbeitsprinzip der Gasturbinenanlagen180
4.2.2 Joule-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage181
4.2.3 Ericsson-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage189
4.2.4 Der wirkliche Prozess in der Gasturbinenanlage192
4.3 Kreisprozess des Heißgasmotors200
4.3.1 Arbeitsprinzip des Heißgasmotors200
4.3.2 Stirling-Prozess als Vergleichsprozess des Heißgasmotors200
4.3.3 Der wirkliche Prozess im Heißgasmotor202
4.4 Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren204
4.4.1 Übertragung des Arbeitsprinzips der Motoren in einen Kreisprozess204
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 Verbrennungsmotoren212
4.5 Kolbenverdichter213
4.5.1 Der verlustlose Kolbenverdichter ohne Schadraum213
4.5.2 Bewertungszahlen für den Kolbenverdichter218
Kontrollfragen225
5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen226
5.1 Das reale Verhalten der Stoffe226
5.1.1 Aggregatzustandsänderungen, Phasenwechsel226
5.1.2 Thermische Zustandsgleichungen realer Fluide230
5.1.3 p,v,T-Diagramm233
5.2 Wasserdampf234
5.2.1 Zustandsgleichungen des Wasserdampfes234
5.2.2 Spezifische Zustandsgrößen235
5.2.3 Gleichung von Clausius und Clapeyron246
5.2.4 Zustandsänderungen des Wasserdampfes247
5.3 Dampfkraftanlagen250
5.3.1 Arbeitsprinzip der Dampfkraftanlagen250
5.3.2 Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess der Dampfkraftanlage251
5.3.3 Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades256
5.3.4 Zwischenüberhitzen. Verfahren zur Verringerung des Wassergehaltes im Abdampf262
5.3.5 Der wirkliche Prozess in Dampfkraftanlagen264
5.4 Kombiniertes Gas-Dampf-Kraftwerk (GUD-Prozess)271
5.4.1 Zweck der Kombination271
5.4.2 Grundschaltung des Gas-Dampf-Kraftwerkes271
5.4.3 Wirkungsgrade beim Gas-Dampf-Kraftwerk273
5.4.4 Schaltungsbeispiele275
5.5 Organische Rankine-Prozesse (ORC)281
5.5.1 Prozessverlauf281
5.5.2 Organische Arbeitsfluide282
5.6 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dämpfen287
Kontrollfragen292
6 Gemische294
6.1 Zusammensetzung von Gemischen294
6.1.1 Massenanteil294
6.1.2 Stoffmengenanteil (Molanteil)295
6.1.3 Molare Masse des Gemisches295
6.1.4 Beladung296
6.2 Ideale Gemische298
6.2.1 Gesetz von Amagat298
6.2.2 Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte299
6.2.3 Raumanteil300
6.2.4 Die extensiven Zustandsgrößen des idealen Gemisches302
6.3 Gemisch idealer Gase307
6.3.1 Thermische Zustandsgleichung307
6.3.2 Partialdruck (Gesetz von Dalton)307
6.3.3 Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase308
6.3.4 Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase311
6.4 Gas-Dampf-Gemisch Feuchte Luft314
6.4.1 Sättigungszustand, Taupunkt314
6.4.2 Feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches316
6.4.3 Zusammensetzung feuchter Luft317
6.4.4 Spezifisches Volumen feuchter Luft321
6.4.5 Spezifische Enthalpie feuchter Luft322
6.4.6 h,x-Diagramm von Mollier324
6.4.7 Einfache isobare Zustandsänderungen feuchter Luft im h,x-Diagramm327
Kontrollfragen335
7 Strömungsvorgänge338
7.1 Kontinuitätsgleichung338
7.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für Strömungsvorgänge339
7.2.1 Arbeitsprozesse339
7.2.2 Strömungsprozesse344
7.3 Kraftwirkung bei Strömungsvorgängen348
7.3.1 Impulssatz348
7.3.2 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen352
7.4 Düsen- und Diffusorströmung353
7.4.1 Energieumwandlung in Düsen und Diffusoren353
7.4.2 Reibungsfreie Düsenströmung355
7.4.3 Schallgeschwindigkeit359
7.4.4 Reibungsfreie Diffusorströmung359
7.4.5 Ausbildung einer Laval-Düse oder eines Überschall-Diffusors360
Kontrollfragen365
8 Wärmeübertragung366
8.1 Arten der Wärmeübertragung366
8.2 Wärmeleitung366
8.2.1 Ebene Wand366
8.2.2 Zylindrische Wand372
8.2.3 Hohlkugelwand373
8.3 Konvektiver Wärmeübergang374
8.3.1 Wärmeübergangsbeziehungen374
8.3.2 Ähnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs375
8.3.3 Wärmeübergang beim Kondensieren und Verdampfen386
8.4 Temperaturstrahlung390
8.4.1 Einführung390
8.4.2 Wärmeübertragung durch Strahlung395
8.4.3 Gas- und Flammenstrahlung396
8.5 Wärmedurchgang397
8.5.1 Wärmedurchgangsbeziehungen397
8.5.2 Beeinflussung des Wärmedurchgangs399
8.5.3 Zwischentemperaturen400
8.6 Wärmeübertrager400
8.6.1 Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom401
8.6.2 Berechnungsverfahren404
8.6.3 Verfahrensoptimierung bei der Wärmenutzung408
8.6.4 Exergieverlust im Wärmeübertrager409
Kontrollfragen411
9 Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen413
9.1 Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung413
9.1.1 Verbrennungstechnische Eigenschaften der Brennstoffe413
9.1.2 Verbrennungsvorgang416
9.1.3 Reaktionsgleichungen417
9.2 Verbrennungsrechnung418
9.2.1 Feste und flüssige Brennstoffe418
9.2.2 Gasförmige Brennstoffe427
9.2.3 Näherungslösungen431
9.3 Verbrennungskontrolle432
9.3.1 Messmethode432
9.3.2 Auswertung der Messung433
9.3.3 Verbrennungsdreiecke436
9.4 Theoretische Verbrennungstemperatur440
9.5 Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad446
9.5.1 Konventionelle Verbrennungsanlagen446
9.5.2 Verbrennungsanlagen mit Kondensation im Abgas447
9.6 Abgastaupunkt451
9.7 Emissionen aus Verbrennungsanlagen452
9.7.1 Einführung452
9.7.2 Minderung der Schwefeloxidemission456
9.7.3 Minderung der Stickoxidemission458
9.7.4 Minderung der Kohlendioxidemission461
9.8 Chemische Reaktionen und Irreversibilität der Verbrennung466
9.8.1 Enthalpie, Entropie, freie Enthalpie466
9.8.2 Brennstoffexergie474
9.8.3 Exergieverlust bei der Verbrennung478
9.9 Brennstoffzellen480
9.9.1 Wirkprinzip480
9.9.2 Energetische Bewertung481
9.9.3 Bauarten485
Kontrollfragen489
10 Lösungsergebnisse der Aufgaben491
11 Antworten auf die Kontrollfragen501
11.1 Grundlagen der Thermodynamik501
11.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik502
11.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik504
11.4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen507
11.5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen508
11.6 Gemische510
11.7 Strömungsvorgänge512
11.8 Wärmeübertragung512
11.9 Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen514
Anhang516
A1 Schrifttum516
A2 Nachweis verwendeter Unterlagen518
A3 Wiederholung haufig benutzter Tafeln519
Sachwortverzeichnis536

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