Transcript Thermodynamik

Thermodynamik
Herbert Windisch
ISBN: 978-3-486-77847-2
© 2014 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH
Abbildungsübersicht / List of Figures
Tabellenübersicht / List of Tables
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Abbildung 1-1: Betrachtungsweisen in der Thermodynamik
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Abbildung 2-1: Wärmeaustauscher (Rekuperator)
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Abbildung 2-2: Ersatzbild Wasser/Öl-Kühler
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Abbildung 2-3: Zylinder mit beweglichen Kolben
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Abbildung 2-4: Geschlossenes adiabates System
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Abbildung 2-5: Homogenes, heterogenes, kontinuierliches System
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Abbildung 2-6: Druck und Teilchenimpuls
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Abbildung 2-7: Thermisches Gleichgewicht
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Tabelle 2-1: Kalibrierpunkte für ITS-90 [29]
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Abbildung 2-8: Temperaturskalen
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Abbildung 2-9: Extensive und intensive Zustandsgrößen
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Abbildung 2-10: Boyle-Mariott’sches Gesetz
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Tabelle 2-2: Korrekturfaktoren für Luft
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Abbildung 2-11: p,v-Diagramm mit Isolinien
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Abbildung 3-1: Vorzeichendefinition für Energieströme an Systemen
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Abbildung 3-2: Nichtstatische Zustandsänderung
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Abbildung 3-3: Nichtstatische Zustandsänderung im p,v-Diagramm
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Abbildung 3-4: Quasistatische Zustandsänderung
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Abbildung 3-5: Wärmefluss durch eine Wand mit konstantem Temperaturgefälle
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Abbildung 3-6: Stationärer Fließprozess
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Abbildung 3-7: Instationärer Fließprozess
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Abbildung 3-8: Perpetuum mobile des Jacopo de Strada
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Tabelle 3-1: spezifische Wärmekapazität cp als Funktion von T für einige Flüssigkeiten bei 0,1 MPa. Gültigkeitsbereich und
Koeffizienten für Formel 3.4. Aus [29].
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Abbildung 3-9: Beliebiger Verlauf für c = f (T)
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Abbildung 3-10: Mittlere spez. Wärmekapazität bei linearem Verlauf
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Tabelle 3-2: mittlere spezifische Wärmekapazitäten cpm von 0 bis ϑ für einige Gase bei 0,1 MPa [15] in kJ/kgK
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Tabelle 3-3: mittlere spezifische Wärmekapazitäten cpm von 0 bis ϑ für einige Metalle [15] in kJ/kgK
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Abbildung 3-11: Ermittlung der mittleren spez. Wärmekapazität zwischen den Temperaturen ϑ 1 und ϑ2
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Abbildung 3-12: Verlauf der wahren spezifischen Wärmekapazität von Eisen. Bei 755 °C magnetischer Umwandlungspunkt
(Curie-Punkt), bei 915 °C Umwandlung von β- in γ-Eisen
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Abbildung 3-13: Verlauf der wahren spezifischen
Wärmekapazität von unterschiedlich legiertem Gusseisen
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Tabelle 3-4: Legierungsbestandteile der drei verschiedenen Gusseisenarten aus Abb. 3-13.
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Tabelle 3-5: Wahre spez. Wärmekapazität von Wasser als Flüssigkeit bei 980 hPa.
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Abbildung 3-14: Kalorimeter
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Tabelle 3-6: Schmelz- und Verdampfungsenthalpie bei entsprechenden Temperaturen und 0,1 MPa
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Abbildung 3-15: Reibungsversuch von Joule
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Abbildung 3-16: Volumenänderungsarbeit
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Abbildung 3-17: Volumenänderungsarbeit im p,v-Diagramm
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Abbildung 3-18: Wellenarbeit am isochoren, geschlossenen System mit adiabaten Wänden
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Abbildung 3-19: Volumenänderungs- und Wellenarbeit am geschlossenen System
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Abbildung 3-20: Elektrische Arbeit an einem System
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Abbildung 4-1: Geschlossenes, adiabates System mit der Möglichkeit, verschiedene Arten von Arbeit zuzuführen
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Abbildung 4-2: p,v-Diagramm zu 4.1
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Abbildung 4-3: Isochores, adiabates System mit Wellenarbeit und Veränderung der Inneren Energie
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Abbildung 4-4: Änderung der Inneren Energie durch einen Wärmespeicher
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Abbildung 4-5: Arbeit und Wärme am geschlossenen System
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Abbildung 4-6: Innere und äußere Energie
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Abbildung 4-7: Offener, stationärer Prozess
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Abbildung 4-8: Stationäres, offenes System mit Wärmetauscher und Turbine
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Abbildung 4-9: Verschiedene Stationen des Prozesses
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Abbildung 4-10: Zusammenhang von Integral vdp und Integral pdv
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Abbildung 4-11: Wärmeübertragung nur in Richtung Temperaturgefälle
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Abbildung 4-12: Reibung nur in Richtung der Zunahme der Inneren Energie
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Abbildung 4-13: Mischung nur in Richtung Vermischung
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Abbildung 4-14: Drosselung nur in Richtung Druckgefälle (Entspannung ohne Arbeitsleistung)
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Abbildung 4-15: Abgeschlossenes System mit zwei Untersystemen, die über eine bewegliche diatherme Wand
verbunden sind.
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Abbildung 5-1: Arbeit und Wärme im p,v- bzw. T,s-Diagramm
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Abbildung 5-2: Die Isochore im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 5-3: Die Isobare im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 5-4: Steigung der Isochoren und der Isobaren im T,s-Diagramm
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Abbildung 5-5: Die Isotherme im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 5-6: Isochore und Isobare als parallel verschobene Exponentialkurven
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Abbildung 5-7: Die Isentrope im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 5-8: Irreversible = reibungsbehaftete Expansion und Kompression
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Abbildung 5-9: Polytrope, Isentrope, Isotherme, Isobare und Isochore im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 5-10: Polytrope Verdichtung
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Abbildung 6-1: Experiment zum Raumanteil
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Abbildung 6-2: Experiment zum Massenanteil
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Tabelle 6-1
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Abbildung 6-3: p,v,T-Diagramm eines Stoffes; für eine
anschauliche Darstellung ist das spezifische Volumen
logarithmisch aufgetragen [10]
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Abbildung 6-4: Druck-/Temperaturabhängigkeit der
Phasenwechsel bei Wasser [2]
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Tabelle 6-2: Sättigungszustand (Temperaturtafel) von
Wasser. Aus [6], Seite 627, Tabelle A.1.151
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Abbildung 6-5: T,s-Diagramm für Wasser [2]
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Abbildung 6-6: h,s-Diagramm nach Mollier für
Wasserdampf (Ausschnitt) [2]
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Abbildung 6-7: Experiment zu Partialdruck
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Abbildung 6-8: Sättigungsdruck und Taupunkt
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Abbildung 6-9: h,x-Diagramm nach Mollier [2]
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Abbildung 7-1: Arbeit entlang ein und derselben
Zustandsänderung
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Abbildung 7-2: Arbeitsgewinn durch unterschiedliche
Zustandsänderungen
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Abbildung 7-3: Ein einfacher Kreisprozess als Beispiel
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Abbildung 7-4: Kompressions- und Expansionsarbeit des Kreisprozesses aus Abb. 7-3
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Abbildung 7-5: In Teilprozesse zerlegter Kreisprozess
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Abbildung 7-6: Das p,v-Diagramm eines Zweitaktmotors
als Beispiel für eine Kraftmaschine
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Abbildung 7-7: Das p,v-Diagramm eines Verdichters als
Beispiel für eine Arbeitsmaschine
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Abbildung 7-8: Exergieverlust
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Abbildung 7-9: Schema einer Maschine für einen Carnot-Prozess
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Abbildung 7-10: Der Carnot-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 7-11: Zwei unterschiedliche Carnot-Prozesse
mit gleicher zugeführter Wärmemenge
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Abbildung 7-12: ηth,c als Funktion der oberen Prozesstemperatur bei Tu = 293 K
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Abbildung 7-13: Volumina in einem Hubkolbenmotor
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Abbildung 7-14: Der Gleichraum-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 7-15: Der thermische Wirkungsgrad des Gleichraum-Prozesses in Abhängigkeit des Verdichtungsverhältnisses
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Abbildung 7-16: Der Gleichdruck-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 7-17: Abhängigkeit von ηth,p von ε und q*
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Abbildung 7-18: Der Seiliger-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 7-19: Schema einer Gasturbine
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Abbildung 7-20: Der Joule-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 7-21: Der Wirkungsgrad bei Joule-Prozessen als Funktion von π
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Abbildung 7-22: Wirkungsgrad und Prozessarbeit beim Joule-Prozess
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Abbildung 7-23: Exergieverluste im T,s-Diagramm
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Abbildung 7-24: Gas- und Dampfturbinen-(GUD-)Kraftwerk; Funktionsprinzip
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Abbildung 7-25: Der Stirling-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm
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Abbildung 7-26: Die 4 Phasen des Stirling-Doppelkolbenmotors
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Abbildung 7-27: Angepasstes p,v-Diagramm für den Doppelkolbenmotor
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Abbildung 7-28: Schema einer Dampfturbinenanlage
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Abbildung 7-29: reversibler Clausius-Rankine-Prozess im T,s-Diagramm
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Tabelle 7-1: Auszug aus der Wasserdampftafel für
überhitzten Dampf [35]:
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Abbildung 7-30: Prinzipskizze für einen Kühlschrank, der nach dem Carnot-Prozess arbeitet, mit T,s-Diagramm
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Abbildung 7-31: Linksläufiger Joule-Prozess für eine Kältemaschine
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Abbildung 7-32: Prinzipskizze und T,s-Diagramm für Kaltluftmaschine mit innerem Wärmeaustausch
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Abbildung 7-33: Schematische Darstellung und T,s-Diagramm einer Dampfkältemaschine
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Abbildung 7-34: Schematische Darstellung und p,v-Diagramm des verlustlosen Verdichters
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Abbildung 7-35: Isentrope und isotherme Verdichtung im p,v-Diagramm
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Abbildung 7-36: Dreistufige Verdichtung mit isobarer Zwischenkühlung
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Abbildung 7-37: Füllungsverlust durch schädlichen Raum
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Abbildung 7-38: Verringerung der Füllungsverluste bei mehrstufiger Verdichtung
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Abbildung 7-39: Verdichtung im T,s-Diagramm
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Abbildung 7-40: Mehrstufige polytrope Verdichtung im T,s-Diagramm
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Abbildung 7-41: Reversible und reibungsbehaftete, adiabate Verdichtung im h,s-Diagramm
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Abbildung 7-42: Reversible und reibungsbehaftete, adiabate Expansion im h,s-Diagramm (Turbine)
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Abbildung 8-1: h,s-Diagramm für adiabate Strömungsprozesse
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Abbildung 8-2: Fannokurven [10]
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Abbildung 8-3: Strömungshindernisse am Beispiel von Blende und Drosselklappe
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Abbildung 8-4: Düse für den Unterschallbereich
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Abbildung 8-5: Isentrope und reibungsbehaftete Zustandsänderung in einer Düse
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126
Abbildung 8-6: Diffusor für den Unterschallbereich
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Abbildung 8-7: Isentrope und reibungsbehaftete Zustandsänderung in einem Diffusor
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Abbildung 8-8: Lavaldüse für den Überschallbereich
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Abbildung 8-9: Querschnittsverlauf für einen Überschalldiffusor
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Abbildung 9-1: Stationärer Wärmestrom
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131
Abbildung 9-2: Raumheizung durch einen Heizkörper als Beispiel für freie Konvektion
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Abbildung 9-3: Schematische Darstellung eines Föhns als Beispiel für erzwungene Konvektion
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133
Abbildung 9-4: Wärmeübertragung durch Strahlung
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134
Abbildung 9-5: Stationäre Wärmeleitung
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Abbildung 9-6: Stationäre Wärmeleitung durch eine ebene Wand
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Abbildung 9-7: Wärmeleitfähigkeit von Kupfer im Bereich üblicher und tiefer Temperaturen [13]
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Tabelle 9-1: Einige λ-Werte bei 20 °C und 0,1 MPa
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Abbildung 9-8: Isolierwirkung von Dämmstoffen
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Abbildung 9-9: Temperaturverlauf in einer mehrschichtigen ebenen Wand
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Abbildung 9-10: Wärmeleitung durch eine zylindrische
Wand
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Abbildung 9-11: Wärmeleitung durch eine mehrschichtige
zylindrische Wand
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Abbildung 9-12: Temperaturverlauf im Wärmeübergang
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Abbildung 9-13: Beispiele für den gleichwertigen Durchmesser [15]
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Tabelle 9-2: Stoffwerte für Flüssigkeiten bei 0,1013 MPa
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Tabelle 9-3: Stoffwerte für Gase bei 0,1 MPa
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Abbildung 9-14: Kondensablauf bei Filmkondensation am a) waagerechten Zylinder oder b) senkrechten Zylinder oder Wand
und bei c) Tropfenkondensation
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Abbildung 9-15: Filmkondensation
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Tabelle 9-4: Nußelt-Beziehungen für Filmkondensation
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Abbildung 9-16: Siedeformen
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150
Abbildung 9-17: Einfluss der Temperaturdifferenz an der Wand (ϑS−ϑW)=Δϑ auf die Wärmeübergangszahl α beim Sieden für
Wasser bei 0,1 MPa
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Tabelle 9-5: Beziehungen für die Wärmeübergangszahl bei Sieden in ruhendem Wasser
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152
Abbildung 9-18: Einfacher Wärmedurchgang am Beispiel eines Autokühlers
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Abbildung 9-19: Analogiemodell Massenerhaltungssatz und Energieerhaltungssatz im Wärmedurchgang
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Abbildung 9-20: Wellenlängenverteilung (Spektrum) elektromagnetischer Strahlung
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155
Abbildung 9-21: Vorgänge beim Auftreffen von Strahlung
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156
Tabelle 9-6: Mittlere Absorptionskoeffizienten
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157
Abbildung 9-22: Intensitätsverteilung der Strahlung eines
schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen [2]
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158
Abbildung 9-23: Emission eines Strahlers in den darüber liegenden Halbraum
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159
Abbildung 9-24: Kosinusgesetz nach Lambert (1728–1777)
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160
Abbildung 9-25: Zwei beliebig im Raum angeordnete Flächen, die sich gegenseitig bestrahlen
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Abbildung 9-26: Wärmeaustausch durch Strahlung bei a) parallel gegenüber stehenden Flächen und b) komplett
umschlossenem Körper
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Abbildung 9-27: Vereinfachte Darstellung eines NDIRA-Messgerätes zur Messung von Gaskonzentrationen
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163
Abbildung 9-28: Rekuperator
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164
Abbildung 9-29: Cowper als Beispiel für einen
Regenerator
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165
Abbildung 9-30: Kühlturm als Beispiel für einen
Mischwärmetauscher
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Abbildung 9-31: Gleichstrom- und Gegenstromrekuperator
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Abbildung 9-32: Kreuzstrom und Kreuzgegenstrom im Mehrfachdurchgang
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Abbildung 9-33: Temperaturverlauf an einem Gleichstromrekuperator
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Abbildung 9-34: Temperaturverlauf an einem Gegenstromrekuperator
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Abbildung 9-35: Bezeichnungen zur Herleitung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz
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Tabelle 10-1: Historische Einheiten[1][26]
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Tabelle 10-2a: Imperiales Maßsystem[1][26], Britische (UK) und US-Maßeinheiten
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Tabelle 10-2b: Fortsetzung Imperiales Maßsystem[1][26], Britische (UK) und US-Maßeinheiten
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Tabelle 3-1a: Spezifische Wärmekapazität cp als Funktion von T für einige Flüssigkeiten bei 0,1 MPa. Gültigkeitsbereich und
Koeffizienten für Formel cp = A + B · T + C · T² + D · T³. Aus [25].
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Tabelle 3-1b: Spezifische Wärmekapazität cp als Funktion von T für einige Gase bei 0,1 MPa. Gültigkeitsbereich und
Koeffizienten für Formel cp = A + B · T + C · T² + D · T³ + E · T4. Aus [27].
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Tabelle 3-2: Mittlere spezifische Wärmekapazitäten cpm von 0 bis ϑ für einige Gase bei 0,1 MPa [24][1] in kJ/kgK. Die molare
mittlere spezifische Wärmekapazität cpm von 0 bis ϑ erhalten Sie durch Multiplikation mit der Molmasse in kg/kmol (siehe
letzte Zeile)
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Tabelle 3-3: Mittlere spezifische Wärmekapazitäten cm von 0 bis ϑ für einige Metalle [15] in kJ/kgK
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Tabelle 10-3: Wahre spezifische Wärmekapazität von Wasser als Flüssigkeit bei 100 kPa.
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Tabelle 3-6: Schmelz- und Verdampfungsenthalpie bei entsprechenden Temperaturen und 0,1 MPa
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Tabelle 6-1: Molmasse, cp, Ri, κ für ideale Gase bei 0 °C nach [25][1]
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Tabelle 6-2: Sättigungszustand (Temperaturtafel) von Wasser. Aus [6], Seite 627, Tabelle A.1.151
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Tabelle 6-3: Stoffwerte für gesättigte feuchte Luft bei 1000
hPa [28][1], Partialdruck von Wasser, absolute
Feuchte, spez. Enthalpie der feuchten Luft
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Tabelle 9-1a: Einige λ-Werte bei 20 °C und 0,1 MPa
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Tabelle 9-1b: Fortsetzung einige λ-Werte bei 20 °C und 0,1 MPa
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Tabelle 9-2: Stoffwerte für Flüssigkeiten bei 0,1013 MPa
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Tabelle 9-3: Stoffwerte für Gase bei 0,1 MPa
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