Transcription of Skript Technische Thermodynamik
1 Prof. K. Thielen Fachbereich 14 Fachhochschule Gie en-Friedberg Skript Technische Thermodynamik WS 2010 / 2011 1 Verfasser Prof. Knut Thielen, geboren am 6. Oktober 1952 in Duisburg, ist seit Januar 1995 Hochschullehrer an der Fachhochschule Gie en-Friedberg. Dort vertritt er im Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen die F cher Thermodynamik , Energietechnik und Energiewirtschaft. Seine Berufserfahrungen begannen am Institut f r Verbrennung und Gasdynamik der Gerhard-Mercator-Universit t Duisburg. Dort befasste er sich als Wissenschaftli-cher Assistent mit der Bildung von Schadstoffen in Verbrennungsprozessen. An-schlie end war er federf hrend in verschiedenen Unternehmen des Anlagenbaus und der Energietechnik t tig, zun chst als Leiter der Verfahrensentwicklung f r Wir-belschicht-Feuerungen, sp ter als Leiter einer Entwicklungsgruppe f r innovative Kraftwerkstechnik.
2 2 Einleitung Die Technische Thermodynamik befasst sich als wichtiges theoretisches Grundlagen-fach mit der Wandlung und bertragung von Energie. Sie dient dem Verst ndnis von Vorg ngen, wie sie u. a. in Anlagen der Kraftwerkstechnik, der Heizungs-, Klima- und K ltetechnik sowie in Kraftmaschinen (Motoren, Turbinen) und Arbeitsmaschi-nen (Pumpen, Verdichter) stattfinden. Dieses Skript gibt eine Einf hrung in die Grundlagen der Thermodynamik und soll mit den wichtigsten Gesetzen dieses Fachgebietes vertraut machen. Insbesondere sollen Kenntnisse und Methoden vermittelt werden, die dem Leser gestatten, sich in einfache Prozesse der Energiewandlung und Energie bertragung hineinzudenken und diese analysieren und berechnen zu k nnen. 3 Lernziele Nach der Lehrveranstaltung und dem Studium dieses Skriptes sollen Sie spezielle Fachausdr cke und fach bliche Redewendungen der Thermodynamik kennen, Technische Objekte als System sehen und die Systemgrenzen f r energetische Untersuchungen sinnvoll ziehen k nnen, die verschiedenen Kategorien der Zustandsgr en kennen und Prozessgr en von Zustandsgr en unterscheiden k nnen, das Stoffmodell des idealen Gases und das der idealen Fl ssigkeit kennen, die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases anwenden k nnen, die Bilanzgleichungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik kennen und in der Lage sein, damit umzugehen, die Aussagen des zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kennen.
3 Entropie nde-rungen bei Zustands nderungen von idealen Stoffen berechnen und mit dem T,s-Diagramm arbeiten k nnen, die Berechnungen der Zustands nderungen bei idealen Gasen vornehmen und sich deren Darstellung im p,v- Diagramm und im T,s- Diagramm verdeutlichen k n-nen, die Bedeutung der Kreisprozesse kennen und ihre Effizienz berechnen k nnen. das Verhalten realer Stoffe kennen und Berechnungen von Zustands nderungen von Wasser bei Phasenwechsel vornehmen k nnen, Berechnungen mit Mischungen idealer Gase durchf hren k nnen und schlie lich mit der systematischen Vorgehensweise zur L sung thermodynamischer Aufga-ben vertraut sein. 4 Inhaltsverzeichnis 1 Einf hrung .. 6 Internationales Einheitensystem und mechanische Grundgr en .. 6 Der Energiebegriff und die Bedeutung der W rme.
4 9 Inhalt und Aufbau der Thermodynamik .. 9 Historische Entwicklung der Thermodynamik .. 11 Anwendungsgebiete der Thermodynamik .. 12 Kontrollfragen, bungsaufgaben .. 13 2 Grundbegriffe .. 14 Thermodynamische Systeme .. 14 Thermodynamischer Zustand, Zustandsgr en .. 18 Zustandsgleichungen .. 26 Prozess und Zustands nderung .. 31 Kontrollfragen, bungsaufgaben .. 39 3 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik .. 41 Energie, Arbeit .. 41 u ere Arbeit .. 41 Volumen nderungsarbeit .. 43 Dissipationsenergie .. 46 Wellenarbeit .. 47 Elektrische Arbeit .. 48 Der erste Hauptsatz f r geschlossene Systeme .. 50 Innere Energie .. 50 W rme .. 51 Formulierung des ersten Hauptsatzes f r geschlossene Systeme .. 53 Der erste Hauptsatz f r station re Flie prozesse.
5 55 Prozessgr en bei station ren Flie prozessen .. 55 Formulierung des ersten Hauptsatzes f r station re Flie -prozesse .. 57 Druck nderungsarbeit und Dissipation bei station ren Flie -prozessen .. 61 Kalorische Zustandsgleichungen .. 63 Kalorische Zustandsgleichungen idealer Gase .. 64 Kalorische Zustandsgleichungen idealer Fl ssigkeiten .. 66 Kontrollfragen, bungsaufgaben .. 67 5 4 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik .. 70 Entropie und Entropiestrom .. 70 Entropieverhalten geschlossener Systeme .. 73 Entropieverhalten bei station ren Flie prozessen .. 75 Vorgehensweise bei Plausibilit tsuntersuchungen .. 77 Das T,s- Diagramm .. 79 Kontrollfragen, bungsaufgaben .. 83 5 Anwendungen des ersten und zweiten Hauptsatzes .. 85 Volumen nderungsarbeit und Druck nderungsarbeit bei Zustands- nderungen in geschlossenen und offenen Systemen.
6 85 Isochore Zustands nderung .. 87 Isobare Zustands nderung .. 89 Isotherme Zustands nderung .. 92 Isentrope Zustands nderung .. 96 Polytrope Zustands nderung .. 100 Kreisprozesse .. 103 Kontollfragen, bungsaufgaben .. 113 6 Thermische und kalorische Stoffeigenschaften realer Stoffe .. 116 Das p,v,T-Diagramm f r reine reale Stoffe .. 116 Thermische Zustandsgleichungen f r Feststoffe und Fl ssigkeiten .. 119 Der isobare Verdampfungsvorgang .. 121 Die Zustandsgr en im Nassdampfgebiet .. 123 Die Zustandstafeln f r Wasser .. 125 Die kalorischen Zustandsdiagramme f r reale Stoffe .. 132 Kontrollfragen, bungsaufgaben .. 135 7 Zusammensetzung fluider Stoffgemische .. 137 Allgemeing ltige Beziehungen .. 137 Beziehungen f r ideale Gase .. 138 Kalorische Gr en f r Gemische idealer 141 bungsaufgaben.
7 143 Literaturverzeichnis .. 144 L sungshinweise zu den Aufgaben .. 145 Liste der verwendeten Formelzeichen .. 166 Anhang: Wasserdampf-Tafeln .. 171 6 1 Einf hrung Internationales Einheitensystem und mechanische Grundgr en F r den Umgang mit den Gr en und Gesetzen der Thermodynamik sowie aller darauf aufbauenden Fachgebiete ist es wichtig, zuvor das Internationale Einheiten-system (SI-System, SI = Syst me International d Unit ) und die Bedeutung verschie-dener mechanischer Grundgr en zu kennen. Das SI-System umfasst sieben Basiseinheiten, f r die folgende Festlegungen gelten: Gr enart Einheit Zei-chen Definition der Einheit mit dem Zahlenwert Eins L nge Meter m Wegl nge, die das Licht im Vakuum in 1 / 299 792 458 Sekunden durchl uft. Masse Kilo-gramm kg Masse des Internationalen Kilogramm-Prototyps in Paris.
8 Zeit Sekunde s 9 192 631 770-fache der Periodendauer der Strahlung von C sium-Atomen (Nuklid 133Cs). Stoffmenge Mol mol Stoffmenge, die aus ebenso vielen Teilchen be-steht, wie Atome in 0,012 kg Kohlenstoff des Nuklids 12C) enthalten sind. Temperatur Kelvin K 273,16-te Teil der thermodynamischen (absolu-ten) Temperatur des Dreiphasen-Gleichgewichts-punktes (Tripelpunkt) des Wassers. Stromst rke Ampere A St rke des konstanten elektrischen Stromes, der durch zwei parallele, geradlinig im Abstand von 1 m angeordnete unendlich lange Leiter von ver-nachl ssigbaren Querschnitten flie t und dabei zwischen diesen Leitern je Meter Leiterl nge die Kraft 2 10-7 Newton hervorruft. Lichtst rke Candela Cd Lichtst rke einer Strahlungsquelle, die mono-chromatische Strahlung der Frequenz 540 1012 Hertz aussendet, und deren Strahlst rke in dieser Richtung 1 / 683 Watt pro Steradiant betr gt.
9 Tab. : Internationales Einheitensystem (SI-System) Das Internationale Einheitensystem ist in den meisten L ndern rechtsverbindlich eingef hrt. In Deutschland bildet das Gesetz ber die Einheiten im Messwesen vom 2. Juli 1969, die dazugeh rende Ausf hrungsverordnung vom 26. Juni 1970 sowie das nderungsgesetz vom 6. Juli 1973 die Grundlage. Seit dem 1. Januar 1978 d rfen nur noch diese gesetzlichen Einheiten verwendet werden. 7 Aus den in Tab. genannten Basiseinheiten entstehen durch Produkt- oder Quo-tientenbildung so genannte abgeleitete Einheiten. Die Einheiten der nachfolgend aufgef hrten mechanischen Grundgr en m gen als Beispiele hierf r dienen. Eine Zusammenstellung weiterer abgeleiteter Einheiten ist in DIN 1301 zu finden.
10 Infor-mationen zu angels chsischen Einheiten und zu entsprechenden Umrechnungen sind ebenfalls der Literatur (z. B. Langeheinecke et al., 1999, S. 282) zu entnehmen. Wichtige mechanische Grundgr en: Geschwindigkeit Ein Punkt bewegt sich mit der Geschwindigkeit c, wenn er in einer differentiellen Zeitspanne d den differentiellen Weg dx zur cklegt: c = dx/d . Die Einheit der Geschwindigkeit ist m/s. Beschleunigung Ein Punkt erf hrt eine Beschleunigung a, wenn er in einer dif-ferentiellen Zeitspanne d eine differentielle Geschwindigkeits nderung dc erf hrt: a = dc/d = d/d (dx/d ) = d x/d . Die Einheit der Beschleunigung ist m/s . Masse Die Masse m eines K rpers ist bei Geschwindigkeiten, die klein sind im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit, eine konstante Gr e. Ihre Einheit ist das Kilo-gramm (kg).
