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E-Book

Übungsaufgaben zur Thermodynamik mit Mathcad ® (ohne Lösungen)

AutorVolker Sperlich
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2002
Seitenanzahl153 Seiten
ISBN9783446222380
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis15,99 EUR

Dieses Übungsbuch ist aus langjähriger Lehrtätigkeit entstanden. Über 85 Aufgaben und Beispiele zur Thermodynamik sollen Ingenieurstudenten praxisnah die Grundlagen der im Allgemeinen als schwer verständlich angesehenen Thermodynamik erschließen helfen und im Beruf stehenden Ingenieuren Anregungen zum Bearbeiten wärmetechnischer Probleme geben. Als Hilfe enthält das Buch kurz gefasste Hinweise auf die allgemeinen thermodynamischen Grundlagen. Die Verwendung der Computeralgebra-Software Mathcad ermöglicht dem Nutzer das Arbeiten am PC ohne Kenntnisse von Programmiersprachen. Der Vorteil ist, dass die Lösungswege in üblicher mathematischer Schreibweise rechenaktiv formuliert werden können. Da der Anwender gleichzeitig die Eingaben, den Lösungsweg und das Ergebnis, z.B. in einem - ebenfalls aktiven - Diagramm, im Blick hat, kann er ohne zusätzlichen Rechenaufwand mit veränderbaren Eingaben arbeiten und dabei sehr schnell ein Gefühl für wechselseitige Abhängigkeiten entwickeln. Dies Buch enthält interaktiv neben Stoffdaten idealer Gase auch die Wasserdampftafeln in der neuesten internationalen Festlegung IF97. Der Autor Dipl.-Ing. Volker Sperlich ist Professor für Energietechnik an der Gerhard-Mercator-Universität Duisburg.   

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Kapitelübersicht
  1. Inhaltsverzeichnis und Vorwort
  2. 1 Größen und Einheiten der Thermodynamik
  3. 2 Thermodynamische Systeme
  4. 3 Zustandsgleichung
  5. 4 Energien, der Erste Hauptsatz
  6. 5 Entropie und T-s-Diagramm
  7. 6 Zustandsgleichungen für ideale (perfekte) Gase
  8. 7 Kreisprozesse, Carnot-Prozess
  9. 8 Der Zweite Hauptsatz
  10. 9 Exergie und Anergie, irreversible Prozesse
  11. 10 Mischungen idealer Gase
  12. 11 Spezifische Wärmekapazität idealer Gase
  13. 12 Feuchte Luft
  14. 13 Das Zustandsverhalten reiner Stoffe
  15. 14 Verbrennung
  16. 15 Vergleichsprozesse für spezielle Maschinen
  17. 16 Wärmeübertragung
  18. 17 Hinweise zum Arbeiten mit dem Übungsbuch
  19. 18 Literaturverzeichnis
  20. 19 Sachwortverzeichnis
Leseprobe

15 Vergleichsprozesse für spezielle Maschinen (S. 108-107)

Wie in Kap. 8 gezeigt, gibt es keinen Kreisprozess, der bei gleichen Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen besseren Wirkungsgrad erreicht als der Carnot- Prozess. Letzterer, obwohl technisch nicht realisierbar, dient daher als "Messlatte" für alle anderen Prozesse. Für spezielle Maschinen, in denen Kreisprozesse ablaufen, braucht man jedoch weitere Vergleichsmöglichkeiten, die zeigen, was im günstigsten (theoretischen) Falle mit einer solchen Maschine erreichbar wäre. Solche Vergleichsprozesse sind ebenfalls idealisiert. Sie laufen, wenn nicht z.B. gerade ein Drosselvorgang notwendige Voraussetzung für die Durchführbarkeit ist, ohne Reibung (und sonstige Dissipation) ab und sind dann innerlich reversibel. Auch wird mit unendlich kleinen Zeiten für die Wärmeübertragung gerechnet. Um die grundsätzlichen Einflüsse ohne kompliziertes numerisches Rechnen aufzeigen zu können, wird in der technischen Thermodynamik üblicherweise bei den Verbrennungskraftmaschinen auch der Arbeitsstoff idealisiert, d.h., man vernachlässigt die chemischen Umwandlungen und rechnet mit Luft als idealem Gas mit konstanter spezifischer Wärmekapazität ("perfektes Gas")

Vergleich eines beliebigen Prozesses mit dem Carnot-Prozess:
Bild 15.1 Allgemeiner Kreisprozess (Abbildung nicht in Leseprobe vorhanden)

Bei einem innerlich reversiblen Prozess (gelbes "Ei") stellen die Flächen unter den Kurven die Wärme dar. Man kann durch Flächenausgleich jeweils für die Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr mittlere Temperaturen finden, mit denen sich ein äquivalenter Carnot- Prozess (mit gleichen Flächenverhältnissen, also gleichem Wirkungsgrad) bilden lässt. Man erkennt, dass dieser Prozess immer schlechter ist als ein mit der maximalen und minimalen Prozesstemperatur geführter Carnot-Prozess (Tmin= Umgebungstemperatur).

15.1 Otto-Prozess

Der 4-Takt-Otto-Motor hat bei 2 Umdrehungen der Kurbelwelle einen Arbeitskreislauf. Je ein Kolbenhub ist zum Füllen und Ausschieben notwendig. Die dazu erforderlichen Arbeiten heben sich auf und spielen für den theoretischen Kreisprozess keine Rolle. Dieser hat folgende Zustandsänderungen:

1. Verdichten von 1 nach 2 isentrop
2. Wärmezufuhr in der Zeit dt = 0 isochor
3. Expansion von 3 nach 4 isentrop
4. Wärmeabfuhr von 4 nach 1 isochor

Beim realen Prozess muss der Zylinder gekühlt werden, der Druckabbau von 4 nach 1 wird nur annähernd durch das schnelle Öffnen des Auslassventils erreicht, auch die Verbrennung des Treibstoffes in der angesaugten Frischluft benötigt Zeit (keine Isochore). Beim Ansaugen durch den Luftfilter und beim Ausschieben durch die Abgasanlage entstehen Strömungsdruckverluste (Schleife mit negativer Arbeitsfläche im p-v- Diagramm).

Der thermische Wirkungsgrad des Otto-Prozesses kann mit den o.e. Vereinfachungen geschrieben werden: ...

Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
1 Größen und Einheiten der Thermodynamik10
1.1 Größen und Einheiten, allgemein10
1.2 Grundgrößen11
1.3 Abgeleitete Größen13
2 Thermodynamische Systeme18
3 Zustandsgleichung19
4 Energien, der Erste Hauptsatz22
4.1 Geschlossenes System ( innere Energie, Arbeit, Wärme, 1. Hauptsatz)22
4.2 Offenes System (Enthalpie, technische Arbeit, Wärme)27
5 Entropie und T-s-Diagramm31
6 Zustandsgleichungen für ideale (perfekte) Gase33
6.1 Zustandsänderungen idealer Gase bei konstantem Polytropenexponent34
6.2 Allgemeine Zustandsänderungen idealer Gase50
7 Kreisprozesse, Carnot-Prozess51
8 Der Zweite Hauptsatz55
9 Exergie und Anergie, irreversible Prozesse59
9.1 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems59
9.2 Exergie eines Massenstromes (Exergie der Enthalpie)60
9.3 Exergie der Wärme61
9.4 Kraft-Wärme-Kopplung63
9.5 Spezielle irreversible Prozesse64
10 Mischungen idealer Gase69
11 Spezifische Wärmekapazität idealer Gase73
12 Feuchte Luft78
13 Das Zustandsverhalten reiner Stoffe84
13.1 Allgemeines84
13.2 Das Zustandsverhalten von Wasser85
14 Verbrennung97
14.1 Stoffbilanzen97
14.2 Brennwert, Heizwert und theoretische Verbrennungstemperatur101
14.3 Wasserdampftaupunkt des Rauchgases104
14.4 Abgaskontrolle107
15 Vergleichsprozesse für spezielle Maschinen109
15.1 Otto-Prozess109
15.2 Diesel-Prozess111
15.3 Seiliger-Prozess111
15.4 Joule-Prozess112
15.5 Clausius-Rankine-Prozess113
15.6 Kaltdampfprozess zum Kühlen und Heizen115
16 Wärmeübertragung117
16.1 Wärmeleitung117
16.2 Konvektion120
16.3 Wärmedurchgang123
16.4 Wärmeübertrager126
16.5 Wärmestrahlung130
17 Hinweise zum Arbeiten mit dem Übungsbuch139
17.1 Systemvoraussetzungen139
17.2 CD-ROM zum Buch139
17.3 Elektronische Bücher in Mathcad139
17.4 Das Elektronische Buch „Übungsaufgaben zur Thermodynamik“140
17.5 Programmstart141
17.6 Voraussetzungen zur Aktivierung aller Funktionen des Übungsbuches144
17.7 Weitere wichtige Hinweise145
18 Literaturverzeichnis148
19 Sachwortverzeichnis150

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