Thermodynamik Herbert Windisch ISBN: 978-3-486-77847-2 © 2014 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH...

Thermodynamik Herbert Windisch ISBN: 978-3-486-77847-2

© 2014 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH

Abbildungsübersicht / List of Figures

Tabellenübersicht / List of Tables

Thermodynamik, Herbert Windisch ISBN 978-3-486-77847-2 © 2014 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH

2

Abbildung 1-1: Betrachtungsweisen in der Thermodynamik


3

Abbildung 2-1: Wärmeaustauscher (Rekuperator)


4

Abbildung 2-2: Ersatzbild Wasser/Öl-Kuhler


5

Abbildung 2-3: Zylinder mit beweglichen Kolben


6

Abbildung 2-4: Geschlossenes adiabates System


7

Abbildung 2-5: Homogenes, heterogenes, kontinuierliches System


8

Abbildung 2-6: Druck und Teilchenimpuls


9

Abbildung 2-7: Thermisches Gleichgewicht


10

Tabelle 2-1: Kalibrierpunkte fur ITS-90 [29]


11

Abbildung 2-8: Temperaturskalen


12

Abbildung 2-9: Extensive und intensive Zustandsgrößen


13

Abbildung 2-10: Boyle-Mariott’sches Gesetz


14

Tabelle 2-2: Korrekturfaktoren fur Luft


15

Abbildung 2-11: p,v-Diagramm mit Isolinien


16

Abbildung 3-1: Vorzeichendefinition fur Energieströme an Systemen


17

Abbildung 3-2: Nichtstatische Zustandsänderung


18

Abbildung 3-3: Nichtstatische Zustandsänderung im p,v-Diagramm


19

Abbildung 3-4: Quasistatische Zustandsänderung


20

Abbildung 3-5: Wärmefluss durch eine Wand mit konstantem Temperaturgefälle


21

Abbildung 3-6: Stationärer Fließprozess


22

Abbildung 3-7: Instationärer Fließprozess


23

Abbildung 3-8: Perpetuum mobile des Jacopo de Strada


24

Tabelle 3-1: spezifische Wärmekapazität cp als Funktion von T fur einige Flussigkeiten bei 0,1 MPa. Gultigkeitsbereich und

Koeffizienten fur Formel 3.4. Aus [29].


25

Abbildung 3-9: Beliebiger Verlauf fur c = f (T)


26

Abbildung 3-10: Mittlere spez. Wärmekapazität bei linearem Verlauf


27

Tabelle 3-2: mittlere spezifische Wärmekapazitäten cpm von 0 bis ϑ fur einige Gase bei 0,1 MPa [15] in kJ/kgK


28

Tabelle 3-3: mittlere spezifische Wärmekapazitäten cpm von 0 bis ϑ fur einige Metalle [15] in kJ/kgK


29

Abbildung 3-11: Ermittlung der mittleren spez. Wärmekapazität zwischen den Temperaturen ϑ1 und ϑ2


30

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


31

Abbildung 3-13: Verlauf der wahren spezifischen

Wärmekapazität von unterschiedlich legiertem Gusseisen


32

Tabelle 3-4: Legierungsbestandteile der drei verschiedenen Gusseisenarten aus Abb. 3-13.


33

Tabelle 3-5: Wahre spez. Wärmekapazität von Wasser als Flussigkeit bei 980 hPa.


34

Abbildung 3-14: Kalorimeter


35

Tabelle 3-6: Schmelz- und Verdampfungsenthalpie bei entsprechenden Temperaturen und 0,1 MPa


36

Abbildung 3-15: Reibungsversuch von Joule


37

Abbildung 3-16: Volumenänderungsarbeit


38

Abbildung 3-17: Volumenänderungsarbeit im p,v-Diagramm


39

Abbildung 3-18: Wellenarbeit am isochoren, geschlossenen System mit adiabaten Wänden


40

Abbildung 3-19: Volumenänderungs- und Wellenarbeit am geschlossenen System


41

Abbildung 3-20: Elektrische Arbeit an einem System


42

Abbildung 4-1: Geschlossenes, adiabates System mit der Möglichkeit, verschiedene Arten von Arbeit zuzufuhren


43

Abbildung 4-2: p,v-Diagramm zu 4.1


44

Abbildung 4-3: Isochores, adiabates System mit Wellenarbeit und Veränderung der Inneren Energie


45

Abbildung 4-4: Änderung der Inneren Energie durch einen Wärmespeicher


46

Abbildung 4-5: Arbeit und Wärme am geschlossenen System


47

Abbildung 4-6: Innere und äußere Energie


48

Abbildung 4-7: Offener, stationärer Prozess


49

Abbildung 4-8: Stationäres, offenes System mit Wärmetauscher und Turbine


50

Abbildung 4-9: Verschiedene Stationen des Prozesses


51

Abbildung 4-10: Zusammenhang von Integral vdp und Integral pdv


52

Abbildung 4-11: Wärmeubertragung nur in Richtung Temperaturgefälle


53

Abbildung 4-12: Reibung nur in Richtung der Zunahme der Inneren Energie


54

Abbildung 4-13: Mischung nur in Richtung Vermischung


55

Abbildung 4-14: Drosselung nur in Richtung Druckgefälle (Entspannung ohne Arbeitsleistung)


56

Abbildung 4-15: Abgeschlossenes System mit zwei Untersystemen, die uber eine bewegliche diatherme Wand

verbunden sind.


57

Abbildung 5-1: Arbeit und Wärme im p,v- bzw. T,s-Diagramm


58

Abbildung 5-2: Die Isochore im p,v- und T,s-Diagramm


59

Abbildung 5-3: Die Isobare im p,v- und T,s-Diagramm


60

Abbildung 5-4: Steigung der Isochoren und der Isobaren im T,s-Diagramm


61

Abbildung 5-5: Die Isotherme im p,v- und T,s-Diagramm


62

Abbildung 5-6: Isochore und Isobare als parallel verschobene Exponentialkurven


63

Abbildung 5-7: Die Isentrope im p,v- und T,s-Diagramm


64

Abbildung 5-8: Irreversible = reibungsbehaftete Expansion und Kompression


65

Abbildung 5-9: Polytrope, Isentrope, Isotherme, Isobare und Isochore im p,v- und T,s-Diagramm


66

Abbildung 5-10: Polytrope Verdichtung


67

Abbildung 6-1: Experiment zum Raumanteil


68

Abbildung 6-2: Experiment zum Massenanteil


69

Tabelle 6-1


70

Abbildung 6-3: p,v,T-Diagramm eines Stoffes; fur eine

anschauliche Darstellung ist das spezifische Volumen

logarithmisch aufgetragen [10]


71

Abbildung 6-4: Druck-/Temperaturabhängigkeit der

Phasenwechsel bei Wasser [2]


72

Tabelle 6-2: Sättigungszustand (Temperaturtafel) von

Wasser. Aus [6], Seite 627, Tabelle A.1.151


73

Abbildung 6-5: T,s-Diagramm fur Wasser [2]


74

Abbildung 6-6: h,s-Diagramm nach Mollier fur

Wasserdampf (Ausschnitt) [2]


75

Abbildung 6-7: Experiment zu Partialdruck


76

Abbildung 6-8: Sättigungsdruck und Taupunkt


77

Abbildung 6-9: h,x-Diagramm nach Mollier [2]


78

Abbildung 7-1: Arbeit entlang ein und derselben

Zustandsänderung


79

Abbildung 7-2: Arbeitsgewinn durch unterschiedliche

Zustandsänderungen


80

Abbildung 7-3: Ein einfacher Kreisprozess als Beispiel


81

Abbildung 7-4: Kompressions- und Expansionsarbeit des Kreisprozesses aus Abb. 7-3


82

Abbildung 7-5: In Teilprozesse zerlegter Kreisprozess


83

Abbildung 7-6: Das p,v-Diagramm eines Zweitaktmotors

als Beispiel fur eine Kraftmaschine


84

Abbildung 7-7: Das p,v-Diagramm eines Verdichters als

Beispiel fur eine Arbeitsmaschine


85

Abbildung 7-8: Exergieverlust


86

Abbildung 7-9: Schema einer Maschine fur einen Carnot-Prozess


87

Abbildung 7-10: Der Carnot-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm


88

Abbildung 7-11: Zwei unterschiedliche Carnot-Prozesse

mit gleicher zugefuhrter Wärmemenge


89

Abbildung 7-12: ηth,c als Funktion der oberen Prozesstemperatur bei Tu = 293 K


90

Abbildung 7-13: Volumina in einem Hubkolbenmotor


91

Abbildung 7-14: Der Gleichraum-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm


92

Abbildung 7-15: Der thermische Wirkungsgrad des Gleichraum-Prozesses in Abhängigkeit des Verdichtungsverhältnisses


93

Abbildung 7-16: Der Gleichdruck-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm


94

Abbildung 7-17: Abhängigkeit von ηth,p von ε und q*


95

Abbildung 7-18: Der Seiliger-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm


96

Abbildung 7-19: Schema einer Gasturbine


97

Abbildung 7-20: Der Joule-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm


98

Abbildung 7-21: Der Wirkungsgrad bei Joule-Prozessen als Funktion von π


99

Abbildung 7-22: Wirkungsgrad und Prozessarbeit beim Joule-Prozess


100

Abbildung 7-23: Exergieverluste im T,s-Diagramm


101

Abbildung 7-24: Gas- und Dampfturbinen-(GUD-)Kraftwerk; Funktionsprinzip


102

Abbildung 7-25: Der Stirling-Prozess im p,v- und T,s-Diagramm


103

Abbildung 7-26: Die 4 Phasen des Stirling-Doppelkolbenmotors


104

Abbildung 7-27: Angepasstes p,v-Diagramm fur den Doppelkolbenmotor


105

Abbildung 7-28: Schema einer Dampfturbinenanlage


106

Abbildung 7-29: reversibler Clausius-Rankine-Prozess im T,s-Diagramm


107

Tabelle 7-1: Auszug aus der Wasserdampftafel fur

uberhitzten Dampf [35]:


108

Abbildung 7-30: Prinzipskizze fur einen Kuhlschrank, der nach dem Carnot-Prozess arbeitet, mit T,s-Diagramm


109

Abbildung 7-31: Linksläufiger Joule-Prozess fur eine Kältemaschine


110

Abbildung 7-32: Prinzipskizze und T,s-Diagramm fur Kaltluftmaschine mit innerem Wärmeaustausch


111

Abbildung 7-33: Schematische Darstellung und T,s-Diagramm einer Dampfkältemaschine


112

Abbildung 7-34: Schematische Darstellung und p,v-Diagramm des verlustlosen Verdichters


113

Abbildung 7-35: Isentrope und isotherme Verdichtung im p,v-Diagramm


114

Abbildung 7-36: Dreistufige Verdichtung mit isobarer Zwischenkuhlung


115

Abbildung 7-37: Fullungsverlust durch schädlichen Raum


116

Abbildung 7-38: Verringerung der Fullungsverluste bei mehrstufiger Verdichtung


117

Abbildung 7-39: Verdichtung im T,s-Diagramm


118

Abbildung 7-40: Mehrstufige polytrope Verdichtung im T,s-Diagramm


119

Abbildung 7-41: Reversible und reibungsbehaftete, adiabate Verdichtung im h,s-Diagramm


120

Abbildung 7-42: Reversible und reibungsbehaftete, adiabate Expansion im h,s-Diagramm (Turbine)


121

Abbildung 8-1: h,s-Diagramm fur adiabate Strömungsprozesse


122

Abbildung 8-2: Fannokurven [10]


123

Abbildung 8-3: Strömungshindernisse am Beispiel von Blende und Drosselklappe


124

Abbildung 8-4: Duse fur den Unterschallbereich


125

Abbildung 8-5: Isentrope und reibungsbehaftete Zustandsänderung in einer Duse


126

Abbildung 8-6: Diffusor fur den Unterschallbereich


127

Abbildung 8-7: Isentrope und reibungsbehaftete Zustandsänderung in einem Diffusor


128

Abbildung 8-8: Lavalduse fur den Überschallbereich


129

Abbildung 8-9: Querschnittsverlauf fur einen Überschalldiffusor


130

Abbildung 9-1: Stationärer Wärmestrom


131

Abbildung 9-2: Raumheizung durch einen Heizkörper als Beispiel fur freie Konvektion


132

Abbildung 9-3: Schematische Darstellung eines Föhns als Beispiel fur erzwungene Konvektion


133

Abbildung 9-4: Wärmeubertragung durch Strahlung


134

Abbildung 9-5: Stationäre Wärmeleitung


135

Abbildung 9-6: Stationäre Wärmeleitung durch eine ebene Wand


136

Abbildung 9-7: Wärmeleitfähigkeit von Kupfer im Bereich ublicher und tiefer Temperaturen [13]


137

Tabelle 9-1: Einige λ-Werte bei 20 °C und 0,1 MPa


138

Abbildung 9-8: Isolierwirkung von Dämmstoffen


139

Abbildung 9-9: Temperaturverlauf in einer mehrschichtigen ebenen Wand


140

Abbildung 9-10: Wärmeleitung durch eine zylindrische

Wand


141

Abbildung 9-11: Wärmeleitung durch eine

mehrschichtige zylindrische Wand


142

Abbildung 9-12: Temperaturverlauf im Wärmeubergang


143

Abbildung 9-13: Beispiele fur den gleichwertigen Durchmesser [15]


144

Tabelle 9-2: Stoffwerte fur Flussigkeiten bei 0,1013 MPa


145

Tabelle 9-3: Stoffwerte fur Gase bei 0,1 MPa


146

Abbildung 9-14: Kondensablauf bei Filmkondensation am a) waagerechten Zylinder oder b) senkrechten Zylinder oder

Wand und bei c) Tropfenkondensation


147

Abbildung 9-15: Filmkondensation


148

Tabelle 9-4: Nußelt-Beziehungen fur Filmkondensation


149

Abbildung 9-16: Siedeformen


150

Abbildung 9-17: Einfluss der Temperaturdifferenz an der Wand (ϑS−ϑW)=Δϑ auf die Wärmeubergangszahl α beim Sieden fur

Wasser bei 0,1 MPa


151

Tabelle 9-5: Beziehungen fur die Wärmeubergangszahl bei Sieden in ruhendem Wasser


152

Abbildung 9-18: Einfacher Wärmedurchgang am Beispiel eines Autokuhlers


153

Abbildung 9-19: Analogiemodell Massenerhaltungssatz und Energieerhaltungssatz im Wärmedurchgang


154

Abbildung 9-20: Wellenlängenverteilung (Spektrum) elektromagnetischer Strahlung


155

Abbildung 9-21: Vorgänge beim Auftreffen von Strahlung


156

Tabelle 9-6: Mittlere Absorptionskoeffizienten


157

Abbildung 9-22: Intensitätsverteilung der Strahlung eines

schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen [2]


158

Abbildung 9-23: Emission eines Strahlers in den daruber liegenden Halbraum


159

Abbildung 9-24: Kosinusgesetz nach Lambert (1728–1777)


160

Abbildung 9-25: Zwei beliebig im Raum angeordnete Flächen, die sich gegenseitig bestrahlen


161

Abbildung 9-26: Wärmeaustausch durch Strahlung bei a) parallel gegenuber stehenden Flächen und b) komplett

umschlossenem Körper


162

Abbildung 9-27: Vereinfachte Darstellung eines NDIRA-Messgerätes zur Messung von Gaskonzentrationen


163

Abbildung 9-28: Rekuperator


164

Abbildung 9-29: Cowper als Beispiel fur einen

Regenerator


165

Abbildung 9-30: Kuhlturm als Beispiel fur einen

Mischwärmetauscher


166

Abbildung 9-31: Gleichstrom- und Gegenstromrekuperator


167

Abbildung 9-32: Kreuzstrom und Kreuzgegenstrom im Mehrfachdurchgang


168

Abbildung 9-33: Temperaturverlauf an einem Gleichstromrekuperator


169

Abbildung 9-34: Temperaturverlauf an einem Gegenstromrekuperator


170

Abbildung 9-35: Bezeichnungen zur Herleitung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz


171

Tabelle 10-1: Historische Einheiten[1][26]


172

Tabelle 10-2a: Imperiales Maßsystem[1][26], Britische (UK) und US-Maßeinheiten


173

Tabelle 10-2b: Fortsetzung Imperiales Maßsystem[1][26], Britische (UK) und US-Maßeinheiten


174

Tabelle 3-1a: Spezifische Wärmekapazität cp als Funktion von T fur einige Flussigkeiten bei 0,1 MPa. Gultigkeitsbereich und

Koeffizienten fur Formel cp = A + B · T + C · T² + D · T³. Aus [25].


175

Tabelle 3-1b: Spezifische Wärmekapazität cp als Funktion von T fur einige Gase bei 0,1 MPa. Gultigkeitsbereich und

Koeffizienten fur Formel cp = A + B · T + C · T² + D · T³ + E · T4. Aus [27].


176

Tabelle 3-2: Mittlere spezifische Wärmekapazitäten cpm von 0 bis ϑ fur 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)


177

Tabelle 3-3: Mittlere spezifische Wärmekapazitäten cm von 0 bis ϑ fur einige Metalle [15] in kJ/kgK


178

Tabelle 10-3: Wahre spezifische Wärmekapazität von Wasser als Flussigkeit bei 100 kPa.


179

Tabelle 3-6: Schmelz- und Verdampfungsenthalpie bei entsprechenden Temperaturen und 0,1 MPa


180

Tabelle 6-1: Molmasse, cp, Ri, κ fur ideale Gase bei 0 °C nach [25][1]


181

Tabelle 6-2: Sättigungszustand (Temperaturtafel) von Wasser. Aus [6], Seite 627, Tabelle A.1.151


182

Tabelle 6-3: Stoffwerte fur gesättigte feuchte Luft bei

1000 hPa [28][1], Partialdruck von Wasser, absolute

Feuchte, spez. Enthalpie der feuchten Luft


183

Tabelle 9-1a: Einige λ-Werte bei 20 °C und 0,1 MPa


184

Tabelle 9-1b: Fortsetzung einige λ-Werte bei 20 °C und 0,1 MPa


185

Tabelle 9-2: Stoffwerte fur Flussigkeiten bei 0,1013 MPa


186

Tabelle 9-3: Stoffwerte fur Gase bei 0,1 MPa

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