Das Lehrbuch umfasst den klassischen Stoff der technischen Thermodynamik in kompakter Form. In den ersten Kapiteln werden die thermodynamischen Grundbegriffe System, Zustandsgröße, Prozessgröße, thermisches Gleichgewicht und Temperatur eingeführt. Der anschließend diskutierte erste Hauptsatz als thermodynamisches Äquivalent der Energieerhaltung erlaubt in seinen unterschiedlichen Formulierungen die saubere Definition von Arbeit, Wärme, innerer Energie und Enthalpie. Das Modellsystem des idealen Gases ermöglicht die Ableitung von thermischen und kalorischen Zustandsgleichungen und führt hin zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der das Prinzip der Irreversibilität thermodynamischer Prozesse zum Ausdruck bringt und den Begriff der Entropie motiviert. Die folgenden Kapitel befassen sich mit thermodynamischen Kreisprozessen mit und ohne Phasenänderungen unter Verwendung idealer und realer Gase. Das Buch schließt mit einer Einführung in Gasgemische und die Thermodynamik chemischer Reaktionen, die typischerweise in großtechnischen Prozessen auftreten.
Das Buch ist vorlesungsbegleitend und zum Selbststudium geeignet: In jedem Kapitel folgt auf die Darstellung der Grundlagen eine auch zum Nachschlagen nutzbare, ausführliche Zusammenfassung der wichtigsten Sachverhalte und eine Aufgabensammlung. Diese enthält Verständnisfragen im Multiple-Choice-Stil sowie nach Schwierigkeitsgrad gestaffelte Rechenaufgaben. Für das erfolgreiche Selbststudium sind alle Aufgaben mit zweistufigen Lösungshinweisen versehen: im ersten Schritt unterstützen vertiefende Fragen bei der Erarbeitung des Lösungswegs, im zweiten Schritt werden konkrete Hilfestellungen in Form von zu verwendenden Formeln oder Sachverhalten angegeben.
Wolfgang Heidemann ist Mitglied des Direktoriums des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart. Nach seinem Abschluss als Diplom-Ingenieur promovierte er 1995 an der Universität Stuttgart und ist seitdem in Lehre und Forschung tätig in den Bereichen Thermodynamik, Wärmeübertragung und Solartechnik. Neben seiner Lehrtätigkeit an der Universität Stuttgart fungiert er als Lehrbeauftragter an Fach- und Dualen Hochschulen. Dr. Heidemann ist VMI-Förderpreisträger, verliehen durch den Verband der Metallindustrie Baden-Württemberg. Er ist Autor und Co-Autor von mehr als 100 wissenschaftlichen Artikeln in referierten Zeitschriften und Konferenzbänden und fungiert als Editor für die internationale Zeitschrift IJTP (International Journal of Transport Phenomena).
Vorwort xi
Nomenklatur xiii
1 Einleitung 1
1.1 Technische Thermodynamik 1
1.2 Zur Handhabung des Arbeitsbuches 2
2 Grundlagen 5
2.1 Das thermodynamische System 5
2.2 Thermodynamische Größen 8
2.2.1 Zustandsgrößen 9
2.2.2 Zustandsänderungen 11
2.2.3 Energie 15
2.2.4 Prozessgrößen 15
2.3 Temperatur 17
2.3.1 Thermisches Gleichgewicht 18
2.3.2 Nullter Hauptsatz der Thermodynamik und Temperaturmessung 18
Zusammenfassung 20
Aufgaben und Lösungen 23
3 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 33
3.1 Allgemeine Formulierung 34
3.1.1 Geschlossenes System 35
3.1.2 Offenes System 35
3.2 Arbeitsformen 36
3.2.1 Mechanische Arbeit 36
3.2.2 Volumenarbeit 37
3.2.3 Dissipationsarbeit (Reibungsarbeit) 37
3.2.4 Nutzarbeit 38
3.2.5 Verschiebearbeit 39
3.2.6 Die technische Arbeit 40
3.2.7 Andere Arbeitsformen 42
3.3 Wärme 43
3.4 Innere Energie 43
3.5 Enthalpie 44
3.6 Mechanische Energie 46
3.7 Spezielle Formulierungen 46
3.7.1 Geschlossenes System 47
3.7.2 Das stationäre offene System 48
3.7.3 Beispiele 48
Zusammenfassung 51
Aufgaben und Lösungen 57
4 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 87
4.1 Die Richtung von Prozessen 87
4.2 Entropie und deren Bilanzierung 89
4.2.1 Geschlossene Systeme und Kreisprozesse 89
4.2.2 Entropiebilanz am offenen System 90
4.2.3 Schlussfolgerungen 92
4.3 Die Gibbssche Fundamentalgleichung 96
4.3.1 Entropieberechnung 97
4.3.2 Beziehungen zwischen Zustandsgrößen 98
4.4 Beispiele, Tipps und Tricks 100
Zusammenfassung 105
Aufgaben und Lösungen 109
5 Stoffthermodynamik Eigenschaften derMaterie 125
5.1 Dasp,v,T-Verhalten reiner realer Stoffe 125
5.2 Die Bestimmung thermischer und kalorischer Zustandsgrößen 130
5.2.1 Festkörper, Flüssigkeit, Schmelzen/Erstarren, Sublimieren/Desublimieren 131
5.2.2 Nassdampfgebiet, Verdampfen/Verflüssigen 133
5.2.3 Gase und Dämpfe 134
Zusammenfassung 148
Aufgaben und Lösungen 152
6 Einfache Zustandsänderungen 177
6.1 Ideales Gas 177
6.1.1 Isochore Zustandsänderung 178
6.1.2 Isobare Zustandsänderung 179
6.1.3 Isotherme Zustandsänderung 180
6.1.4 Adiabate Zustandsänderung 182
6.1.5 Polytrope Zustandsänderung 183
6.1.6 Irreversibel adiabate Explosion 185
6.2 Nassdampf 186
6.2.1 Isobare, isotherme Zustandsänderung 186
6.2.2 Isochore Zustandsänderung 187
6.2.3 Adiabate Zustandsänderung 188
6.2.4 Isenthalpe Zustandsänderung 188
6.3 Kreisprozesse, Carnot-Prozess 189
6.3.1 Der rechtsgängige Kreisprozess 190
6.3.2 Der linksgängige Kreisprozess 193
6.3.3 Der Carnot-Prozess 195
Zusammenfassung 198
Aufgaben und Lösungen 203
7 Exergie 243
7.1 Exergie einerWärme 244
7.2 Exergie der Arbeit 246
7.3 Exergie eines geschlossenen Systems 248
7.4 Exergie eines offenen Systems 250
7.5 Exergieverlust 251
7.6 Der exergetischeWirkungsgrad 253
7.7 Beispiele, Tipps und Tricks 255
Zusammenfassung 259
Aufgaben und Lösungen 262
8 Thermodynamische Prozesse 277
8.1 Wärme-Kraft-Prozesse 278
8.1.1 Vergleichsprozesse für Verbrennungsmotoren 278
8.1.2 Stirling-Prozess 287
8.1.3 Ericson-Prozess 288
8.1.4 Joule-Prozess 290
8.1.5 Dampfkraftprozesse 293
8.2 Linksgängige Prozesse 299
8.2.1 Kaltgasprozess 300
8.2.2 Kaltdampfprozess 302
8.2.3 Das Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung 304
8.2.4 Verdichter 305
Zusammenfassung 307
Aufgaben und Lösungen 314
9 GasgemischeundfeuchteLuft 361
9.1 Gemisch idealer Gase 361
9.1.1 Konzentrationen 361
9.1.2 Eigenschaften idealer Gasmischungen 362
9.2 Feuchte Luft 365
9.2.1 Konzentrationsmaße 367
9.2.2 Thermische und kalorische Zustandsgrößen 369
9.2.3 Das MollierhG/L,x-Diagramm 371
9.2.4 Zustandsänderungen feuchter Luft 372
Zusammenfassung 380
Aufgaben und Lösungen 385
10 Chemische Reaktionen 425
10.1 Reaktionsenthalpie 425
10.1.1 Standardreaktionsenthalpie 427
10.1.2 Reaktionsenthalpie bei beliebiger Temperatur 428
10.2 Verbrennungsprozesse 429
10.2.1 Verbrennung mit Luft 431
10.2.2 Verbrennungsreaktionen der Praxis 432
Zusammenfassung 436
Aufgaben und Lösungen 438
Anhang A Tabellen und Stoffwerte 451
Anhang B Herleitungen 465
B.1 Das vollständige oder totale Differenzial 465
B.2 Betrachtung der Differenzialausdrücke (𝜕u𝜕v)T und (𝜕h𝜕p)v 465
B.3 Kinetische Gastheorie 467
Anhang C Diagramme 469
Weiterführende Literatur 471
Sachverzeichnis 473
