Table Of ContentBernhard Weigand · Jürgen Köhler
Jens von Wolfersdorf
Thermodynamik
kompakt
3., aktualisierte Auflage 2013
Springer-Lehrbuch
Bernhard Weigand · Jürgen Köhler
Jens von Wolfersdorf
Thermodynamik kompakt
3., aktualisierte Auflage 2013
Bernhard Weigand Jens von Wolfersdorf
Institut für Thermodynamik der Luft- und Institut für Thermodynamik der Luft- und
Raumfahrt Raumfahrt
Universität Stuttgart Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Jürgen Köhler
Institut für Thermodynamik
TU Braunschweig
Braunschweig, Deutschland
OnlinePLUS Material zu diesem Buch finden Sie auf
http://www.springer-imprint.de/978-3-642-37232-2
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-37232-2 ISBN 978-3-642-37233-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-37233-9
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+
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Für Irmi, Valdinete und Andrea
Vorwort zur dritten Auflage
Es freut uns sehr, dass das Buch auch weiterhin eine so gute Aufnahme erfahren hat. Für
die dritte Auflage wurden noch einzelne Schreibfehler im Text und in den Gleichungen
beseitigt. Weiterhin haben wir den Text an einigen Stellen modifiziert und die zusam-
menfassende Tabelle für die Zustandsänderungen realer Gase im Anhang D verbessert.
Außerdem wurden fast alle Bilder für diese Auflage überarbeitet.
Auf der Internetseite www.uni-stuttgart.de/itlr/thermo-kompakt findet der Leser
einige 3D Animationen zu Zustandsdiagrammen und weiteres interessantes Material zur
Unterstützung und Vertiefung verschiedener Themengebiete dieses Buches. Das Login
und das Passwort für diese Internetseite sind:
LOGIN: Thermokompakt
PASSWORT: Thermo1000
Diese Seite kann man auch über die Internetseite www.springer.com/978-3-540-71865-9
beim Springer Verlag erreichen.
Für viele wertvolle Hinweise und gute Diskussionen möchten wir uns ganz herzlich
bei unseren Studierenden bedanken. Weiterhin danken wir Herrn Nico Brunner für die
Überarbeitung der Abbildungen.
Für die stets gute und harmonische Zusammenarbeit und auch für die gute Unterstützung
möchten wir uns noch bei Frau Eva Hestermann-Beyerle und ihrem Team vom Springer
Verlag bedanken.
Stuttgart, Braunschweig, Mai 2013 Bernhard Weigand
Jürgen Köhler
Jens von Wolfersdorf
VII
Vorwort zur zweiten Auflage
Wir freuen uns sehr über die gute Aufnahme des Buches und auch über die vielen posi-
tiven Kommentare. Für die zweite Auflage wurden Schreibfehler im Text und in den
Gleichungen beseitigt. Weiterhin haben wir den Text an einigen Stellen präzisiert und
zusammenfassende Tabellen für die Zustandsänderungen idealer und realer Gase im
Anhang D aufgenommen.
Für viele wertvolle Hinweise und gute Diskussionen möchten wir uns ganz herzlich
bei unseren Studierenden bedanken. Weiterhin danken wir Herrn Hassan Gomaa für
seine Unterstützung bei der Überarbeitung des Büchleins. Wir möchten uns auch noch
bei Frau Eva Hestermann-Beyerle und ihrem Team vom Springer Verlag für die stets
gute und harmonische Zusammenarbeit bedanken.
Stuttgart, Braunschweig, Mai 2010 Bernhard Weigand
Jürgen Köhler
Jens von Wolfersdorf
IX
Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Buch möchte Studierende der Ingenieur- und Naturwissenschaften in die
Grundlagen der Thermodynamik einführen. Es hat das Ziel, die Thermodynamik mög-
lichst kompakt darzustellen. Wir haben hierbei probiert, die vielfältigen Themengebiete
der Thermodynamik in kurzer und prägnanter Form zu präsentieren. Dies soll den
Studierenden helfen, sich auf die wesentlichen Sachverhalte der Thermodynamik zu
fokussieren und sich nicht in langen Ableitungen zu verlieren. Im Unterschied zu vie-
len „gängigen“ Werken zur Thermodynamik haben wir in dem vorliegenden Buch ver-
sucht die Darstellungen möglichst allgemein zu betrachten (z. B. die Bilanzgleichungen)
und relativ früh auf die allgemeine Beschreibung der Stoffe (thermisches und kalorisches
Verhalten) einzugehen. Es erfolgt auch keine frühzeitige Festlegung auf ideale Gase als
Arbeitsmedien. Vielmehr werden in diesem Buch parallel das ideale Gas und das reale
Gasverhalten (als ein Beispiel wird das van der Waals-Gas, wegen seiner einfachen for-
melmäßigen Beschreibbarkeit, betrachtet) für verschiedene Anwendungen behandelt. Nach
einer Darstellung der theoretischen Grundlagen folgen mehrere Kapitel zu technischen
Anwendungen. Diese Kapitel verdeutlichen die Anwendung der theoretischen Grundlagen.
Im Anhang D und Anhang E sind zur Berechnung von Anwendungsbeispielen exempla-
risch verschiedene Stoffwerte und Diagramme zusammengestellt.
Das Buch ist natürlich auch zum Selbststudium gut geeignet. In diesem Fall ist es
besonders wichtig, dass der Leser die Grundlagen der Differenzialrechnung für zwei
Veränderliche präsent hat. Zur Auffrischung dieses Stoffes haben wir im Anhang A
einen kleinen Auszug dieses Wissens zusammengefasst.
Die Kurzfragen am Ende jedes Kapitels sind so beschaffen, dass sie nach dem Durch-
arbeiten des Kapitels gut beantwortet werden können. Sie sollen dem Leser dabei helfen,
den Stoff des Kapitels kurz zu reflektieren und zu verinnerlichen.
Auf der Internetseite www.uni-stuttgart.de/itlr/thermo-kompakt findet der Leser
einige 3D Animationen zu Zustandsdiagrammen und weiteres interessantes Material zur
Unterstützung und Vertiefung verschiedener Themengebiete dieses Buches. Das Login
und das Passwort für diese Internetseite sind:
LOGIN: Thermokompakt
PASSWORT: Thermo1000
XI
XII Vorwort zur ersten Auflage
Diese Seite kann man auch über die Internetseite www.springer.com/978-3-540-71865-9
beim Springer Verlag erreichen.
Viele Personen haben uns während aller Phasen der Konzeption und der Erstellung
dieses Buches mit Rat und Tat zur Seite gestanden. Ohne diese Unterstützung und Hilfe
wäre die Fertigstellung dieses Buchs wohl nicht möglich gewesen. Wir sind in diesem
Zusammenhang den Studierenden Frau Ebru Dülger und Herrn Hassan Gomaa für das
Lesen des Büchleins und die vielen Hinweise aus studentischer Sicht sehr dankbar. Wir
danken auch Herrn Rico Poser und Herrn Marco Schüler für das Lesen des Büchleins
und Anregungen aus der Sicht der wissenschaftlichen Mitarbeiter. Für zahlreiche interes-
sante Diskussionen zu dem Inhalt des Buches danken wir Herrn PD Dr. Jadran Vrabec
und Herrn Prof. Dr. Hans Hasse. Die Erstellung der Bilder wurde von Herrn Philipp
Hollstein, Frau Miriam Abdelmoula, Frau Helena Schröter und Herrn Nils Christian
Strupp übernommen. Ihnen gebührt unser Dank für die zügige und stets sehr gute
Zusammenarbeit. Abschließend möchten wir uns auch noch bei Frau Eva Hestermann-
Beyerle und ihrem Team vom Springer Verlag für die stets gute Zusammenarbeit bedanken.
Alle drei Autoren dieses Buches empfinden die Thermodynamik als eine spannende
und faszinierende Wissenschaft, bei der es sich lohnt, tief in ihre Geheimnisse vorzudrin-
gen. Unser Wunsch ist es, dass dieses Buch dabei hilft, den „Funken der Faszination“ in
möglichst vielen Studierenden zu entfachen und daraus eine (womöglich lebenslange)
Begeisterung für die Thermodynamik zu wecken.
Stuttgart, Braunschweig, Mai 2008 Bernhard Weigand
Jürgen Köhler
Jens von Wolfersdorf
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................................ 1
2 Grundlagen .......................................................... 3
2.1 Das thermodynamische System ..................................... 3
2.2 Zustandsgrößen und Zustandsänderungen ........................... 5
2.3 Temperatur und Gleichgewichtspostulate ............................ 6
2.3.1 Erstes Gleichgewichtspostulat ................................ 7
2.3.2 Zweites Gleichgewichtspostulat .............................. 7
2.3.3 Temperaturmessung ........................................ 8
2.4 Energiearten ..................................................... 9
2.5 Arbeit und Wärme ................................................ 9
2.6 Größen und Einheiten ............................................. 10
3 Die Hauptsätze der Thermodynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Die allgemeine Form von Bilanzen .................................. 13
3.2 Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik ........................... 15
3.2.1 Die Temperatur ............................................ 15
3.2.2 Die allgemeine Aussage des nullten Hauptsatzes ................ 16
3.3 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ............................ 17
3.3.1 Die Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.2 Die allgemeine Aussage des ersten Hauptsatzes ................. 17
3.3.3 Die Bilanz der Gesamtenergie für ein offenes System ............ 20
3.3.4 Die Bilanz der Energie für ein geschlossenes System ............ 23
3.3.5 Die technische Arbeit ....................................... 24
3.4 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ........................... 27
3.4.1 Die Entropie ............................................... 27
3.4.2 Die allgemeine Aussage des zweiten Hauptsatzes ............... 28
3.4.3 Die Bilanz der Entropie für ein offenes System ................. 32
3.5 Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik ........................... 33
3.6 Das chemische Potenzial ........................................... 35
3.7 Folgerungen aus den Hauptsätzen und Bilanzen ...................... 36
3.7.1 Die Gibbssche Fundamentalgleichung ........................ 36
XIII
