Klaus Langeheinecke (Hrsg.) | Peter Jany | Gerd Thieleke Thermodynamik für Ingenieure Klaus Langeheinecke (Hrsg.) Peter Jany | Gerd Thieleke Thermodynamik für Ingenieure Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium 8., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 292 Abbildungen und 58 Tabellen Unter Mitarbeit von Kay Langeheinecke STUDIUM Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. Der Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Klaus Langeheinecke, Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten/Württ. Die Autoren Prof. Dr.-Ing. Klaus Langeheinecke, Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten/Württ. Prof. Dr.-Ing. Peter Jany, Industrie- und Handelskammer Bodensee-Oberschwaben Prof. Dr.-Ing. Gerd Thieleke, Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten/Württ. Dr.-Ing. Kay Langeheinecke, IAV GmbH, Gifhorn ehem. Autor: Prof. Dr.-Ing. Eugen Sapper†, Fachhochschule Konstanz, Konstanz 1. Auflage 1993 2., vollständig überarbeitete Auflage 1999 3., durchgesehene Auflage 2001 4., überarbeitete und erweiterteAuflage 2003 5., verbesserte Auflage 2004 6., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2006 7., verbesserte und ergänzte Auflage 2008 8., überarbeitete und erweiterte Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner Verlag|Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Thomas Zipsner | Imke Zander Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläss ig und strafb ar. Das gilt insb es ondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die Ein speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Bilder: Graphik & Text Studio Dr. Wolfgang Zettlmeier, Barbing Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1356-5 V Vorwort DieTechnischeThermodynamikgehörtzudenGrundlagendesMaschinenbaues,derEnergie- technik, der Fahrzeugtechnik, der Verfahrenstechnik, der Versorgungstechnik und verwandter Ingenieurwissenschaften. Für Studierende von Bachelor- und Masterstudiengängen an Fach- hochschulen, Hochschulen und Universitäten, ferner an Dualen Hochschulen, Berufsakade- mien,HöherenTechnischenLehranstaltenundTechnikerschulenimgesamtendeutschsprachi- gen Raum ist dieses Buch geschrieben, zur Nutzung in und neben den Lehrveranstaltungen. Der Umfang orientiert sich an dem, was an Grundlagen für weiterführende Lehrveranstaltun- gen erforderlich ist. Zum Selbststudium in der Weiterbildung und beim Wiedereinstieg emp- fiehltsichdasLehrbuchdurchseinenAufbauauchfürbereitsBerufstätige. Ausführliche Texte, zahlreiche bildliche Darstellungen, durchgerechnete Beispiele, viele Fra- gen und Übungsaufgaben mit Lösungen zur aktiven Beschäftigung verdeutlichen die Denk- weisen, Methoden und Werkzeuge der Thermodynamik. Vor allemwird die Fachsprache ver- mittelt, die sich oft als Hindernis auf dem Weg zum Verstehen der Thermodynamik erwiesen hat, aber dafür und zum Lesen von Fachliteratur unerlässlich ist. In umfangreichen Tabellen sind notwendige Daten zusammengestellt, ergänzt durch Mollier-Diagramme für Wasser- dampf,feuchteLuftundeinKältemittel. EinausführlichesSachwortverzeichnisleitetschnellzudengesuchtenTextstellenundgibtdie Sachworte auch in englischer Sprache wieder. Im Internet findet der Leser das entsprechende Verzeichnis SACHWORT ENGLISCH-DEUTSCH unter www.viewegteubner.de, das Suchwort Langeheinecke, den Buchtitel und das Symbol . Kostenlos herunterladen lassen sich dort außerdemdiealsFormelsammlungundzurWiederholungverwendbareKurzfassungdesLehr- textes THERMODYNAMIK MEMORY und das umfangreiche alphabetische, interaktiv nutzbare THERMODYNAMIKGLOSSARmitüber700Stichwörtern. Die Lehre der Thermodynamik war bislang weitgehend durch die Felder,,GeschlossenesSys- tem(cid:179),(cid:196)IdealesGas(cid:179)und,,ReversibleProzesse(cid:179)geprägt.TechnischeProzesselaufenjedochim Allgemeinen in offenen Systemen ab, über deren Grenzen Stoff- und Energieströme übertra- gen werden und in denen häufig Phasenwechsel und nicht vernachlässigbare Dissipationsphä- nomene auftreten. Daher wird das offene System so früh wie möglich vorgestellt sowie mit Stromgrößen und Bilanzansätzen gearbeitet. Die verschiedenen Energie- und Leistungsarten werden begrifflich klar unterschieden. Dabei wird auf die Wärme, ihre unterschiedlichen Transportmechanismen und ihre Freisetzung durch Verbrennung besonderseingegangen. We- gen oft unzureichender Vorkenntnisse in der Physik werden Phasenwechsel und das gesamte Zustandsfeld bereits am Anfang dargestellt. Die dazu notwendigen Gedankenexperimente bauen auf Alltagsbeobachtungen auf. Dabei wird in den Umgang mit Zustandsdiagrammen undDampftafelneingeführtunddemModell(cid:196)IdealeGase(cid:179)derrichtigePlatzangewiesen. Das Buch geht im Kern zurück auf das in langer Lehrtätigkeit entwickelte Vorlesungsmanu- skript des Herausgebers. Im Rahmen des CAT-Projektes haben die Professoren W.Schnabel, Dr. G. Kurz und Dr. G. Kürz sowie Ing. (grad.) P. Stotz damals teils schreibend, teils erpro- bend und beratend mitgewirkt. Für das Buchmanuskript konnten zusätzlich Prof. Dr. Eugen Sapper (Konstanz), der jedoch noch während der Bearbeitung verstarb, und Prof. Dr. Peter Jany (Weingarten/Württ.) sowie Dipl.-Ing. Heinz Millner (Dornbirn/Vorarlberg) gewonnen werden, weiterhin ab der 6. Auflage Prof. Dr.-Ing. Gerd Thieleke (Weingarten/Württ.) sowie zur 8. Auflage Dr.-Ing. Kay Langeheinecke (Gifhorn). Die sorgfältige Ausführung der Zeich- VI Vorwort nungen übernahmDipl.-Ing. (FH) Wolf-Dieter Schnell (Langenargen/Bodensee) und die digi- taleVerarbeitungdesGlossarsMartinVolckart(Baienfurt). Das Lehrbuch ist für die jeweiligen Auflagen mehrfach gründlich überarbeitet und ergänzt worden. Hinweise von Fachkollegen und Studierenden wurden dabei dankbar verwertet. Herausgeber und Mitautoren danken allen Beteiligten, die zum Gelingen der 8. Auflage des Lehrbuches beigetragen haben, vor allem dem Lektorat Maschinenbau des Verlages Vie- weg+Teubner.EinbesondererDankgiltdenFamilien,diewegendesBuchessooftverzichten mussten. Weingarten/Württ. DerHerausgeber VII Inhaltsverzeichnis Vorwort .............................................................................................................................. V VerzeichnisderBeispiele .................................................................................................. X Formelzeichen .................................................................................................................... XI 1 Einführung ................................................................................................................. 1 1.1 AufgabeundGeschichte .................................................................................. 1 1.2 ZurLehrveranstaltung ...................................................................................... 2 1.3 PhysikalischeGrößenundGrößengleichungen ............................................... 3 1.4 FragenundÜbungen ........................................................................................ 7 2 DieSystemeundihreBeschreibung......................................................................... 8 2.1 SystemeundEnergien ...................................................................................... 8 2.2 GleichgewichtundBeharrungszustand ............................................................ 13 2.3 StoffundMenge............................................................................................... 16 2.4 Zustand,ZustandsgrößenundZustandsdiagramme ......................................... 19 2.5 Druck,Temperatur,Energie ............................................................................. 21 2.6 Zustandsänderungen,Prozesse ......................................................................... 25 2.7 FragenundÜbungen ........................................................................................ 29 3 Stoffeigenschaften...................................................................................................... 32 3.1 ThermischeDehnung ....................................................................................... 32 3.2 VerdampfenundVerflüssigen ......................................................................... 33 3.3 KritischerPunkt ............................................................................................... 37 3.4 Nassdampf ....................................................................................................... 38 3.5 Erstarren,Sublimieren,Tripelzustände ............................................................ 45 3.6 DämpfeundGase ............................................................................................. 51 3.7 Stoffgemische................................................................................................... 56 3.8 FragenundÜbungen ........................................................................................ 58 4 Energien ..................................................................................................................... 60 4.1 EnergiegrößenundErsterHauptsatz ................................................................ 60 4.2 ArbeitundArbeitsleistung ............................................................................... 65 4.3 Wärme,WärmestromundInnereEnergie........................................................ 70 4.4 EnthalpieundEnthalpiestrom .......................................................................... 71 4.5 EnergieumwandlungenmitKreisprozessen ..................................................... 75 4.6 Strömungsprozesse........................................................................................... 81 4.7 FragenundÜbungen ........................................................................................ 83 5 Prozesse ...................................................................................................................... 85 5.1 AussagenüberProzesse,ZweiterHauptsatz..................................................... 85 5.2 EntropieundEntropiestrom ............................................................................. 89 5.3 Zustandsdiagramme ......................................................................................... 92 5.4 Energieumwandlung ........................................................................................ 99 5.5 ExergieundAnergie ........................................................................................ 106 5.6 FragenundÜbungen ........................................................................................ 112 VIII Inhaltsverzeichnis 6 ZustandsgleichungenIdealerGase .......................................................................... 117 6.1 Gasgleichung,Gaskonstanten,Normmolvolumen ........................................... 117 6.2 KalorischeZustandsgleichungen...................................................................... 120 6.3 EntropieundEntropiediagramme..................................................................... 124 6.4 WärmekapazitätenundIsentropenexponent..................................................... 128 6.5 FragenundÜbungen ........................................................................................ 132 7 ZustandsänderungenIdealerGase .......................................................................... 135 7.1 AllgemeineundspezielleZustandsänderungen ............................................... 135 7.2 IsobareZustandsänderung ................................................................................ 136 7.3 IsochoreZustandsänderung .............................................................................. 139 7.4 IsothermeZustandsänderung............................................................................ 140 7.5 IsentropeZustandsänderung ............................................................................. 143 7.6 PolytropeZustandsänderungen ........................................................................ 148 7.7 FragenundÜbungen ........................................................................................ 152 8 IdealeGas-undGas-Dampf-Gemische ................................................................... 156 8.1 AnteileundTeilgrößenvonGasgemischen,DALTONschesGesetz ................. 156 8.2 Gasgleichung,GaskonstantenundMolmassenvonGasgemischen ................. 158 8.3 KalorischeZustandsgrößenvonGasgemischen ............................................... 160 8.4 Gas-Dampf-Gemische,FeuchteLuft................................................................ 162 8.5 ZustandsgrößenundZustandsdiagrammefeuchterLuft .................................. 164 8.6 Luftbehandlungsanlagen .................................................................................. 169 8.7 Mischen,ErwärmenundKühlenfeuchterLuft ................................................ 172 8.8 EinsprühenvonWasserinfeuchteLuft ........................................................... 177 8.9 VerdunstungundTaubildung ........................................................................... 180 8.10 Druckluft .......................................................................................................... 183 8.11 Übungen ........................................................................................................... 184 9 Energieumwandlung,thermischeMaschinen ......................................................... 187 9.1 Vergleichsprozesse ........................................................................................... 187 9.2 Dampfkraftmaschinen ...................................................................................... 188 9.3 DampfkältemaschinenalsKühlmaschinenundWärmepumpen....................... 199 9.4 Verbrennungsmotoren ...................................................................................... 204 9.5 Gasturbinen ...................................................................................................... 207 9.6 Gaskältemaschinen ........................................................................................... 211 9.7 RegenerativeKreisprozesse ............................................................................. 215 9.8 Brennstoffzellen................................................................................................ 221 9.9 KombinierteGas-undDampfkraftwerke ......................................................... 233 9.10 FragenundÜbungen ........................................................................................ 235 10 Wärmeübertragung ................................................................................................... 241 10.1 Wärmeleitung ................................................................................................... 241 10.2 StationäreWärmeleitung .................................................................................. 244 10.3 InstationäreWärmeleitung ............................................................................... 247 10.4 NumerischeLösungsmethoden ........................................................................ 251 10.5 KonvektiverWärmeübergang .......................................................................... 255 10.6 WärmeübergangbeierzwungenerKonvektion ................................................ 259 10.7 WärmeübergangbeifreierKonvektion ............................................................ 261 10.8 WärmeübergangbeiPhasenänderung .............................................................. 264 10.9 Wärmestrahlung ............................................................................................... 267 10.10 WärmestrahlungzwischenfestenOberflächen ................................................ 272 Inhaltsverzeichnis IX 10.11 Wärmedurchgang ............................................................................................. 274 10.12 WärmeaustauschimGleichstromundGegenstrom ......................................... 276 10.13 Wärmedämmung .............................................................................................. 278 10.14 FragenundÜbungen ........................................................................................ 282 11 Verbrennung .............................................................................................................. 285 11.1 DerVerbrennungsprozess ................................................................................ 285 11.2 BrennstoffeundVerbrennungsgleichungen ..................................................... 286 11.3 Verbrennungsrechnung:Sauerstoff-undLuftbedarf ....................................... 288 11.4 Verbrennungsrechnung:ZusammensetzungdesVerbrennungsgases .............. 292 11.5 DasVerbrennungsschema ................................................................................ 295 11.6 EnergieumsatzbeivollständigerVerbrennung ................................................ 299 11.7 AbgasverlustundfeuerungstechnischerWirkungsgrad ................................... 308 11.8 Übungen ........................................................................................................... 313 Tabellen(mitGriffstreifen) ................................................................................................ 315 T-1 EinheitenundEinheitenumrechnung ............................................................... 315 T-1a UniverselleKonstantenundNormzustand ....................................................... 316 T-2 AngelsächsischeEinheiten ............................................................................... 316 T-3 StoffwerteIdealerGase .................................................................................... 317 T-4 MittleremolareWärmekapazitäten .................................................................. 318 T-5 SättigungsdampftafelfürWasser(Temperaturtafel) ........................................ 319 T-6 SättigungsdampftafelfürWasser(Drucktafel)................................................. 321 T-6a ZustandsgrößenvonungesättigterWasserflüssigkeitundüberhitztem Wasserdampf .................................................................................................... 323 T-7 SättigungsdampftafelfürAmmoniak ............................................................... 326 T-7a SättigungsdampftafelfürKohlendioxid ........................................................... 327 T-8 SättigungsdampftafelfürR134a....................................................................... 328 T-8a MOLLIER-Druck-Enthalpie-DiagrammfürR134a............................................ 329 T-9 StoffwertegesättigterfeuchterLuft ................................................................. 330 T-10 ThermophysikalischeStoffgrößen ................................................................... 331 T-11 ZahlenwertederGAUSSschenFehlerfunktion .................................................. 334 T-12 EmissionsgradetechnischerOberflächen......................................................... 334 T-13 FesteBrennstoffe ............................................................................................. 335 T-14 FlüssigeBrennstoffeI ...................................................................................... 335 T-15 FlüssigeBrennstoffeII ..................................................................................... 335 T-16 GasförmigeBrennstoffeI ................................................................................. 335 T-17 GasförmigeBrennstoffeII ............................................................................... 336 T-18 ArbeitsfluidefürWärmerohre .......................................................................... 336 Lösungen ............................................................................................................................ 337 Literatur ............................................................................................................................. 344 Sachwortverzeichnis(deutsch(cid:177)englisch).......................................................................... 347 MOLLIER-Enthalpie-Entropie-DiagrammfürWasserdampf ................................... Beilage KostenloseZusatzmaterialienimInternetunterwww.viewegteubner.deüberdas SuchwortLangeheinecke,denBuchtitelunddasSymbol ........................................ Internet THERMODYNAMIKMEMORY.pdf (7,35MB) THERMODYNAMIKGLOSSAR.pdf (0,60MB) SACHWORTENGLISCH-DEUTSCH.pdf (0,50MB) X Verzeichnis der Beispiele Beispiel Seite Stichwort Beispiel Seite Stichwort 1.1 5 Größengleichung 7.4 142 IsothermeZustandsänderung 1.2 6 Berechnungsmuster 7.5 146 Druckluftanlage 7.6 151 Druckluftmotor 2.1 13 Systemabgrenzung 7.7 152 Versuchsauswertung 2.2 17 Volumen 8.1 159 Gasgemisch 2.3 18 Massenstrom 8.2 161 Gasgemisch 2.4 23 Druck 8.3 166 h,x-DiagrammfürfeuchteLuft 2.5 24 Temperatur 8.4 173 Luftmischung 2.6 28 QuasistatischeZustandsänderung 8.5 174 Lufterwärmung 2.7 29 NichtstatischeZustandsänderung 8.6 176 Luftkühlung 8.7 179 Randmaßstab 3.1 33 ThermischeDehnung 8.8 179 Klimaanlage 3.2 42 Dampftafel 8.9 183 Druckluft 3.3 42 Nassdampf 3.4 43 Verdampfung 9.1 197 Industriedampfanlage 3.5 44 Wärmerohr 9.2 202 Gewerbekälteanlage 3.6 51 Gasgleichung 9.3 206 Wirkungsgradevon 3.7 52 Gasmasse Verbrennungsmotoren 3.8 52 Druckänderung 9.4 209 Wirkungsgradeiner 3.9 57 Stoffgemisch Gasturbinenanlage 9.5 217 STIRLING-Motor 4.1 74 Wärmeaustauscher 9.6 223 ChemischeReaktion 4.2 80 Dampfkraftwerk 9.7 231 Brennstoffzelle 4.3 80 Dampferzeugung 9.8 235 Wirkungsgradvon 4.4 82 Rohrströmung GuD-Kraftwerken 5.1 92 Fanno-Linien 10.1 249 Aluminiumkugel 5.2 94 Dampfkraftmaschine 10.2 251 HalbunendlicherKörper 5.3 96 Dampfkraftprozess 10.3 267 WärmeübergangamRohr 5.4 97 Kältemittelflasche 10.4 273 Wärmestrahlung 5.5 105 Thermoelement 10.5 281 Wärmedurchgang 5.6 111 ExergetischerWirkungsgrad 5.7 111 Exergieverlust 11.1 296 Kohleverbrennung 5.8 111 Exergieverlust 11.2 298 Erdgasverbrennung 11.3 304 Verbrennungstemperatur 6.1 119 Gasvolumen 11.4 308 Kondensatbildung 6.2 119 Gasdichte 11.5 310 Abgasverlustundfeuerungs- 6.3 131 Wärmekapazität technischerWirkungsgradoh- neWasserdampfkondensation 7.1 136 Luftverdichtung 11.6 311 Abgasverlustundfeuerungs- 7.2 138 IsobareZustandsänderung technischerWirkungsgradmit 7.3 140 IsochoreZustandsänderung Wasserdampfkondensation