Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen: Zwolfte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage Unter Mitarbeit von Stephan Kabelac

664 Pages·2005·9.21 MB·German

by  Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Hans Dieter Baehr (auth.)

Springer-Lehrbuch
Hans Dieter Baehr
Thermodynamik
Grundlagen und technische Anwendungen
Zwölfte,neubearbeiteteunderweiterteAuflage
UnterMitarbeitvonStephanKabelac
Mit286AbbildungenundzahlreichenTabellen
sowie74Beispielen
123
Dr.-Ing.Dr.-Ing.E.h.HansDieterBaehr
emer.o.ProfessorfürThermodynamikanderUniversitätHannover
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2005
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Vorwort zur zwo¨lften Auflage
DerFortschrittha¨ngtwesentlichdavon
ab, daß wir nicht einfach vergessen,
was man schon einmal wußte.
Robert Spaemann (geb. 1927)
Die zw¨olfte Auflage meines Lehrbuchs entha¨lt neu bearbeitete Abschnitte
u¨berStoffdaten.HierbeiwurdendieWertederfundamentalenphysikalischen
Konstanten, der molaren Massen und der spezifischen Gaskonstanten wich-
tiger Stoffe auf den neuesten Stand gebracht. Vor allem aber findet der
Leser nun genaue Berechnungsgleichungen fu¨r die Temperaturabha¨ngigkeit
der spezifischen Wa¨rmekapazita¨t, der spezifischen Enthalpie und der spezi-
fischen Entropie einer Reihe idealer Gase. Damit lassen sich die genannten
Temperaturfunktionen in einfacher Weise auch fu¨r Luft und Verbrennungs-
gase mit einem PC berechnen, was die Auswertung der Energie-, Entropie-
und Exergiebilanzen von Verbrennungsprozessen merklich erleichtert. Trotz-
dem wurden die Tabellen mit den mittleren spezifischen W¨armekapazita¨ten
idealer Gase und einiger fu¨r Verbrennungsprozesse wichtigen Gasgemische
beibehalten, jedoch mit den genannten Gleichungen neu berechnet. Einzelne
AuswertungenvonEnergiebilanzenlassensichna¨mlichmitdenmittlerenspe-
zifischen W¨armekapazita¨ten auch ohne Computer-Einsatz schnell und genau
ausfu¨hren.
IndenanderenKapitelndesBucheshabeichzahlreicheKorrekturenund
einige Erga¨nzungen vorgenommen, beispielsweise bei der Behandlung des
thermischen Gleichgewichts und der CO -Emissionen der Stromerzeugung.
2
Besonders im Kapitel u¨ber Verbrennungsprozesse und Verbrennungskraftan-
lagen ergaben sich merkliche A¨nderungen. Schließlich wurde das Literatur-
verzeichnis durch die Aufnahme neuer Vero¨ffentlichungen aktualisiert.
BeiderNeufassungderAbschnitteu¨berdieStoffdatenhatmichHerrPro-
fessor Dr.-Ing. habil. S. Kabelac, Institut fu¨r Thermodynamik der Helmut
Schmidt Universita¨t, Hamburg, unterstu¨tzt. Ohne seine Mitwirkung wa¨re
dieseNeubearbeitungnichtm¨oglichgewesen.HerrProfessorKabelachatsich
außerdem bereiterkla¨rt, als Koautor an der Bearbeitung der weiteren Aufla-
gen dieses Buches mitzuwirken. Ich begru¨ße dies in hohem Maße und in der
Erwartung,daßesdadurchgelingt,diesesbewa¨hrteLehrbuchauchweiterhin
auf einem hohen wissenschaftlichen Stand zu halten, neue didaktische Kon-
VI Vorwort zur zw¨olften Auflage
zeptezuverwirklichenundku¨nftigeEntwicklungendertechnischenPraxiszu
beru¨cksichtigen.
Mo¨ge auch die vorliegende zw¨olfte Auflage wieder zahlreiche Leser fin-
den. Den Studenten an Universita¨ten und Fachhochschulen bietet sie eine
ausfu¨hrliche und versta¨ndliche Einfu¨hrung in die Thermodynamik und ih-
re technischen Anwendungen. Der in Forschung und Praxis ta¨tige Ingenieur
findet hier ein umfassendes Nachschlagewerk, das ihm bei der Beantwortung
von Zweifelsfragen und bei der Lo¨sung vieler Probleme helfen wird.
Bochum, im Januar 2005 H.D. Baehr
Aus dem Vorwort zur zehnten Auflage
Res tantum cognosciturquantum diligitur.
Aurelius Augustinus (354–430)
Thermodynamik ist eine Grundlagenwissenschaft vor allem fu¨r zwei Tech-
nikbereiche: die Energietechnik und die Chemietechnik (Verfahrenstechnik).
BeidenBereichenstelltdieThermodynamikeineallgemeineEnergielehrezur
Verfu¨gung und eine damit verbundene Materialtheorie der thermodynami-
schen Eigenschaften der Materie. In den fru¨heren Auflagen dieses Buches
standendieEnergielehreunddieenergietechnischenAnwendungenderTher-
modynamik im Vordergrund. Die thermodynamische Theorie der Materie
wurde nur so weit er¨ortert, wie es fu¨r Studenten des Maschinenbaus erfor-
derlich war. Sie beschra¨nkte sich auf die thermodynamischen Eigenschaften
der reinen Fluide und der idealen Gasgemische. Fu¨r die Ausbildung der Ver-
fahrensingenieure ist dieses Fundament allerdings zu schmal. Ich habe da-
her in dieser Neuauflage die sogenannte chemische Thermodynamik st¨arker
beru¨cksichtigt. Jetzt werden nicht nur die idealen Gasgemische behandelt,
sondern – auf der Grundlage der Gibbs’schen Thermodynamik – auch die
Grundzu¨geeinerallgemeinenThermodynamikderrealenGemische.Neuauf-
genommen habe ich eine moderne Darstellung der Thermodynamik chemi-
scher Reaktionen, deren Kernstu¨ck die Anwendung der Hauptsa¨tze auf che-
misch reagierende Gemische ist.
Dieses Lehrbuch soll in seiner neuen Form den Studenten u¨ber die Vor-
lesungen und Pru¨fungen des Grundstudiums hinaus in das Hauptstudium
und die Berufspraxis begleiten. Wie in den fru¨heren Auflagen wird es dem
Studenten der Energietechnik eine verla¨ßliche Basis fu¨r weiterfu¨hrende Vor-
lesungen bieten. Studenten der Verfahrenstechnik finden nun die Grundzu¨ge
einer allgemeinen Thermodynamik der Gemische und der chemischen Re-
aktionen, was ihnen das Versta¨ndnis der Vorlesungen u¨ber thermische und
chemische Verfahrenstechnik erleichtern wird. Im Sinne einer technisch-
wissenschaftlichen Allgemeinbildung soll dieses Buch das Verst¨andnis des
Energietechnikersfu¨r dieGrundlagen verfahrenstechnischer Prozessefo¨rdern
und umgekehrt dem Verfahrenstechniker allgemeine energietechnische Zu-
sammenh¨ange nahe bringen.
Im v¨ollig neu gefaßten Kapitel 5 u¨ber Gemische und chemische Reaktio-
nen findet der Leser zuerst die Behandlung der neuen Grundlagen, z.B. den
VIII Aus dem Vorwort zur zehnten Auflage
Begriff der partiellen molaren Zustandsgro¨ße, die chemischen Potentiale und
die Bedingungen des Phasengleichgewichts. Dann werden die idealen Gas-
gemische und die idealen Lo¨sungen behandelt. Bei den realen Gemischen
habe ich die von G.N. Lewis eingefu¨hrten Gro¨ßen Fugazita¨ts- und Akti-
vita¨tskoeffizient verwendet, aber auch gezeigt, daß man mit ihrer Hilfe nur
eine, wenn auch formal sehr geschickte, Umformulierung des Realanteils des
chemischen Potentials erh¨alt. Dabei habe ich mich, um den Umfang des Bu-
ches nicht zu stark wachsen zu lassen, auf die Einfu¨hrung der Begriffe und
ihre Anwendung auf das Phasengleichgewicht zwischen Gas und Flu¨ssigkeit
beschr¨ankt. Bei der Behandlung der chemischen Reaktionen bin ich von der
ErhaltungderchemischenElementeausgegangen;siefindetihrenquantitati-
venAusdruckindenReaktionsgleichungenunddenElementbilanzen.Umdie
beiden Hauptsa¨tze auf reagierende Gemische anwenden zu k¨onnen, mu¨ssen
bekanntlich die Enthalpien und Entropien der an einer Reaktion beteiligten
Stoffe aufeinander abgestimmt werden. Die Lo¨sung dieses Problems durch
die Reaktionsenthalpien und Standard-Bildungsenthalpien sowie den dritten
Hauptsatz der Thermodynamik habe ich ausfu¨hrlich dargestellt. Schließlich
gehe ich auf die Bedingungen des Reaktionsgleichgewichts und die Berech-
nungderGleichgewichtszusammensetzungein,diedankderEntwicklungder
Computertechnik kaum noch gro¨ßere rechentechnische Probleme aufwirft.
Mit ihren zahlreichen A¨nderungen und Erga¨nzungen, mit der Erweite-
rung um die Thermodynamik der Gemische und der chemischen Reaktionen
ist die zehnte Auflage zu einem neuen Lehrbuch geworden. M¨oge es auch
in dieser Gestalt viele Leser finden und zahlreichen Studenten als klare und
verst¨andlicheEinfu¨hrungineinoftalsschwierigempfundenesGebietdienen:
in die Thermodynamik und ihre energie- und verfahrenstechnischen Anwen-
dungen.
Hannover, im Sommer 2000 H.D. Baehr
Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeine Grundlagen................................... 1
1.1 Thermodynamik ....................................... 1
1.1.1 Von der historischen Entwicklung der Thermodynamik 1
1.1.2 Was ist Thermodynamik? ......................... 9
1.2 System und Zustand .................................... 11
1.2.1 System und Systemgrenze ......................... 12
1.2.2 Zustand und Zustandsgro¨ßen ...................... 13
1.2.3 Extensive, intensive, spezifische
und molare Zustandsgro¨ßen, Dichten................ 16
1.2.4 Fluide Phasen. Zustandsgleichungen ................ 20
1.3 Prozesse............................................... 21
1.3.1 Prozeß und Zustandsa¨nderung ..................... 21
1.3.2 Reversible und irreversible Prozesse................. 22
1.3.3 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik
als Prinzip der Irreversibilita¨t ...................... 26
1.3.4 Quasistatische Zustands¨anderungen
und irreversible Prozesse .......................... 27
1.3.5 Stationa¨re Prozesse............................... 29
1.4 Temperatur............................................ 30
1.4.1 Thermisches Gleichgewicht und Temperatur ......... 30
1.4.2 Thermometer und empirische Temperatur ........... 33
1.4.3 Die Temperatur des idealen Gasthermometers........ 35
1.4.4 Celsius-Temperatur. Internationale Praktische
Temperaturskala ................................. 39
1.4.5 Die thermische Zustandsgleichung idealer Gase....... 41
2 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik.................... 43
2.1 Der 1. Hauptsatz fu¨r geschlossene Systeme................. 43
2.1.1 Mechanische Energien............................. 43
2.1.2 Der 1. Hauptsatz. Innere Energie................... 47
2.1.3 Die kalorische Zustandsgleichung der Fluide ......... 50
2.1.4 Die Energiebilanzgleichung ........................ 53
2.2 Arbeit und Wa¨rme ..................................... 56
2.2.1 Mechanische Arbeit und Leistung .................. 56
2.2.2 Volumena¨nderungsarbeit .......................... 57
X Inhaltsverzeichnis
2.2.3 Wellenarbeit..................................... 62
2.2.4 Elektrische Arbeit und Arbeit nichtfluider Systeme ... 64
2.2.5 Wa¨rme und Wa¨rmestrom ......................... 68
2.3 Energiebilanzgleichungen ................................ 70
2.3.1 Energiebilanzgleichungen fu¨r geschlossene Systeme.... 70
2.3.2 Massenbilanz und Energiebilanz
fu¨r einen Kontrollraum............................ 75
2.3.3 Instationa¨re Prozesse offener Systeme ............... 82
2.3.4 Der 1. Hauptsatz fu¨r stationa¨re Fließprozesse ........ 85
2.3.5 Enthalpie ....................................... 87
3 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik.................... 93
3.1 Entropie und Entropiebilanzen ........................... 93
3.1.1 Einfu¨hrende U¨berlegungen......................... 94
3.1.2 Die Formulierung des 2. Hauptsatzes durch Entropie
und thermodynamische Temperatur ................ 97
3.1.3 Die Entropiebilanzgleichung fu¨r geschlossene Systeme . 101
3.1.4 Die Irreversibilita¨t des W¨armeu¨bergangs
und die thermodynamische Temperatur ............. 106
3.1.5 Die Umwandlung von Wa¨rme in Nutzarbeit.
Wa¨rmekraftmaschinen ............................ 112
3.1.6 Die Entropiebilanzgleichung fu¨r einen Kontrollraum .. 117
3.1.7 Die Entropiebilanzgleichung
fu¨r stationa¨re Fließprozesse ........................ 120
3.2 Die Entropie als Zustandsgro¨ße........................... 125
3.2.1 Die Entropie reiner Stoffe ......................... 125
3.2.2 Die Messung thermodynamischer Temperaturen
und die Entropie idealer Gase...................... 129
3.2.3 Das T,s-Diagramm ............................... 134
3.2.4 Fundamentalgleichungen und charakteristische
Funktionen ...................................... 137
3.2.5 Gleichgewichts- und Stabilita¨tsbedingungen.
Phasengleichgewicht .............................. 142
3.3 Die Anwendung des 2. Hauptsatzes auf
Energieumwandlungen: Exergie und Anergie ............... 150
3.3.1 Die beschra¨nkte Umwandelbarkeit der Energie ....... 150
3.3.2 Die Definitionen von Exergie, Anergie
und thermodynamischer Umgebung................. 152
3.3.3 Die Rolle der Exergie in der Thermodynamik
und ihren technischen Anwendungen................ 156
3.3.4 Die Berechnung von Exergien und Exergieverlusten... 160
3.3.5 Exergie und Anergie der Wa¨rme ................... 164
3.3.6 Exergie und Anergie eines Stoffstroms............... 169
3.3.7 Exergiebilanzen und exergetische Wirkungsgrade ..... 171
Inhaltsverzeichnis XI
4 Die thermodynamischen Eigenschaften reiner Fluide...... 179
4.1 Die thermischen Zustandsgro¨ßen ......................... 179
4.1.1 Die p,v,T-Fla¨che................................. 180
4.1.2 Das p,T-Diagramm und die Gleichung von
Clausius-Clapeyron ............................... 183
4.1.3 Die thermische Zustandsgleichung .................. 187
4.1.4 Das Prinzip der korrespondierenden Zusta¨nde........ 192
4.1.5 Kubische Zustandsgleichungen ..................... 194
4.2 Das Naßdampfgebiet.................................... 201
4.2.1 Nasser Dampf.................................... 201
4.2.2 Dampfdruck und Siedetemperatur .................. 202
4.2.3 Die spezifischen Zustandsgro¨ßen im Naßdampfgebiet .. 205
4.3 Zwei Stoffmodelle: ideales Gas und inkompressibles Fluid .... 210
4.3.1 Die Zustandsgleichungen des idealen Gases .......... 210
4.3.2 Die spezifischen W¨armekapazita¨ten idealer Gase...... 213
4.3.3 Entropie und isentrope Zustandsa¨nderungen
idealer Gase ..................................... 216
4.3.4 Das inkompressible Fluid.......................... 219
4.4 Zustandsgleichungen, Tafeln und Diagramme............... 222
4.4.1 Die Bestimmung von Enthalpie und Entropie
mit Hilfe der thermischen Zustandsgleichung......... 223
4.4.2 Fundamentalgleichungen .......................... 226
4.4.3 Schallgeschwindigkeit und Isentropenexponent ....... 228
4.4.4 Tafeln der Zustandsgro¨ßen......................... 231
4.4.5 Zustandsdiagramme .............................. 233
5 Gemische und chemische Reaktionen ..................... 237
5.1 Mischphasen und Phasengleichgewichte.................... 237
5.1.1 Gro¨ßen zur Beschreibung der Zusammensetzung...... 238
5.1.2 Mischungsgro¨ßen und die Irreversibilita¨t
des Mischungsvorgangs............................ 242
5.1.3 Partielle molare Gro¨ßen ........................... 246
5.1.4 Die Gibbs-Funktion einer Mischphase ............... 251
5.1.5 Chemische Potentiale. Membrangleichgewicht ........ 254
5.1.6 Phasengleichgewichte ............................. 260
5.1.7 Phasengleichgewichte in Zweistoffsystemen .......... 262
5.2 Ideale Gemische........................................ 268
5.2.1 Ideale Gasgemische ............................... 268
5.2.2 Die Zustandsgleichungen idealer Gasgemische ........ 270
5.2.3 Ideale Lo¨sungen.................................. 274
5.2.4 Phasengleichgewicht. Gesetz von Raoult............. 279
5.3 Ideale Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft ................. 283
5.3.1 Der Sa¨ttigungspartialdruck des Wasserdampfes
und der Taupunkt ................................ 284
5.3.2 Absolute und relative Feuchte...................... 288