Fluid- Und Thermodynamik: Eine Einführung

ISBN-13: 9783540437345 / Niemiecki / Miękka / 2002 / 454 str.

Kolumban Hutter

Opis

Auf der Grundlage eines beiden Gebieten gemeinsamen Konzepts wird fur Studenten der Physik und der Ingenieurwissenschaften eine Einfuhrung in die Fluid- und Thermodynamik gegeben. In der Fluiddynamik werden Hydrostatik, Hydrodynamik der idealen und viskosen Fluide sowie laminare und turbulente Rohrstromungen behandelt, in der Thermodynamik der erste und zweite Hauptsatz. Die Gasdynamik umfat Akustik, stationare isentrope Stromfadentheorie und Stotheorie, und so werden Fluid- und Thermodynamik miteinander verwoben. Angeschlossen ist - als Besonderheit - ein Kapitel uber Dimensionsanalyse und Modelltheorie, das die Erarbeitung technischer Fragestellungen und den Blick fur umweltrelevante Probleme eroffnet.

Spis treści

1. Einleitung.- 1.1 Historische Notizen und Abgrenzung des Fachgebietes.- 1.2 Eigenschaften von Flüssigkeiten.- 2. Hydrostatik.- 2.1 Der Flüssigkeitsdruck.- 2.2 Grundgleichung der Hydrostatik.- 2.3 Druckverteilung in einem dichtebeständigen, schweren Fluid.- 2.4 Hydrostatischer Auftrieb schwimmender Körper.- 2.5 Hydrostatik im beschleunigten Bezugssystem.- 2.6 Druckverteilung in der Atmosphäre.- 3. Hydrodynamik idealer Fluide.- 3.1 Kinematische Grundbegriffe.- 3.1.1 Bewegung, Geschwindigkeit.- 3.1.2 Stromlinien, Bahnlinien, Streichlinien.- 3.2 Massenbilanz, Kontinuität.- 3.3 Impulsbilanz.- 3.4 Die Bernoullische Gleichung.- 3.5 Einfache Anwendungen der Bernoullischen Gleichung.- 3.6 Globale Formulierung des Impulssatzes.- 3.7 Anwendungen des Impulssatzes.- 3.7.1 Reaktionskräfte in durchströmten Rohren.- 3.7.2 Bordamündung.- 3.7.3 Aufprallen eines Freistrahles auf eine Wand.- 3.7.4 Mischvorgänge.- 3.7.5 Wassersprung.- 3.8 Strömungen um unendlich lange Tragflügel.- 3.8.1 Strömung durch ein periodisches Flügelgitter.- 3.8.2 Strömung um einen Einzelflügel.- 3.9 Drallbilanz.- 3.10 Anwendungen des Drallsatzes.- 3.10.1 Segnersches Wasserrad.- 3.10.2 Eulersehe Turbinengleichung.- 4. Viskose Flüssigkeiten.- 4.1 Dynamische Grundgleichungen viskoser Flüssigkeiten.- 4.1.1 Newtonsche Fluide.- 4.1.2 Dilatante und pseudoplastische, dichtebeständige Fluide.- 4.2 Ebene Schichtenströmungen.- 4.3 Anwendungen.- 4.3.1 Couette-Viskosimeter.- 4.3.2 Drehkegel-Viskosimeter.- 4.3.3 Öldruckpolster.- 4.3.4 Filmströmung.- 4.3.5 Einfluß des Eigengewichtes bei der ebenen Poiseuille-Strömung.- 4.3.6 Gleitlagertheorie.- 4.4 Dreidimensionale Kriechströmung eines pseudo-plastischen Fluids mit freier Oberfläche.- 5. Rohrströmungen.- 5.1 Laminare Rohrströmungen.- 5.1.1 Das Gesetz von Hagen-Poiseuille.- 5.1.2 Laminare Strömung in zylindrischen Rohren allgemeinen Querschnitts.- 5.1.3 Ausfluß aus einem Gefäß.- 5.1.4 Einfluß der Rohrreibung auf den Ausfluß aus einem Behälter.- 5.2 Turbulente Strömungen in Rohren.- 5.2.1 Widerstandszahl.- 5.2.2 Einiges zur Turbulenz nach Prandtl und von Kärmän.- 5.2.3 Druckverlustberechnung in turbulenten Rohrströmungen.- 6. Thermodynamik.- 6.1 Grundsätzhches sowie geschichthche Bemerkungen.- 6.2 Allgemeine Begriffe und Definitionen.- 6.2.1 System.- 6.2.2 Zustand, Prozeß.- 6.2.3 Extensive, intensive, spezifische, molare Zustandsgröße.- 6.2.4 Adiabate und diatherme Wände.- 6.2.5 Empirische Temperatur, Gastemperatur, Temperaturskalen.- 6.3 Thermische Zustandsgieichungen.- 6.3.1 Ideales Gas.- 6.3.2 Reale Gase.- 6.3.3 Das phänomenologische Modell von van der Waals.- 6.4 Reversible und irreversible thermodynamische Prozesse.- 6.4.1 Reversible Expansion und Verdichtung eines Gases.- 6.5 Der erste Hauptsatz.- 6.5.1 Mechanische Energien.- 6.5.2 Der erste Hauptsatz.- 6.5.3 Die kalorische Zustandsgieichung der Fluide.- 6.5.4 Einfache Anwendungen des 1. Hauptsatzes.- 6.5.5 Spezifische Wärmen bei realen Gasen.- 6.6 Der zweite Hauptsatz - Prinzip der Irreversibilität.- 6.6.1 Vorbemerkungen.- 6.6.2 Der zweite Hauptsatz für einfache adiabate Systeme.- 6.7 Verallgemeinerung des 2. HS für nicht-adiabate Systeme.- 6.8 Anwendungen des zweiten Hauptsatzes.- 6.8.1 Einfache Beispiele.- 6.8.2 Auswertung des einfachen Entropieprinzips für eine wärmeleitende viskose Flüssigkeit.- 6.9 Zustandsgieichungen.- 6.9.1 Kanonische Zustandsgieichungen.- 6.9.2 Spezifische Wärmen und andere thermodynamische Größen.- 6.9.3 Anwendung auf ideale Gase.- 6.9.4 Isentrope Prozesse in kalorisch idealen Gasen.- 7. Gasdynamik.- 7.1 Einleitende Bemerkungen.- 7.2 Ausbreitung kleiner Störungen in einem Gas.- 7.2.1 Grundgleichungen.- 7.2.2 Ebene Wellen und Kugelwellen.- 7.2.3 Eigenschwingungsansatz nach Bernoulli.- 7.3 Stationäre, isentrope Stromfadentheorie.- 7.4 Stoßtheorie.- 7.4.1 Grundsätzliches.- 7.4.2 Sprungbedingungen.- 7.4.3 Stationäre Stöße bei einfachen Fluiden unter adiabaten Bedingungen.- 8. Dimensionsanalyse.- 8.1 Maß-Systeme und Dimensionen.- 8.2 Theorie der dimensionsbehafteten Gleichungen.- 8.2.1 Dimensionshomogenität.- 8.2.2 Das Theorem von Buckingham.- 8.2.3 Systematische Berechnung von dimensionslosen Produkten.- 8.3 Algebraische Theorie der Dimensionsanalyse.- 8.3.1 Transformation von Grundeinheiten.- 8.3.2 Exakte Definition der Dimensionshomogenität.- 8.3.3 Kalkül der dimensionslosen Produkte.- 8.4 Theorem von Buckingham.- 8.4.1 Beweis des Theorems von Buckingham.- 8.4.2 Anwendungen der Theorie.- 8.5 Ähnlichkeit und Modellversuche.- 8.5.1 Theorie.- 8.5.2 Anwendungen.- A Vektor analysis und Integralsätze.- A.l Der Gradient.- A.2 Der Gaußsche Satz und die Divergenz.- A.3 Der Stokessche Satz und die Rotation.

Blurb

Auf der Grundlage eines allgemein verständlichen, beiden Gebieten gemeinsamen Konzepts wird eine Einführung in die Fluid- und Thermodynamik gegeben. Die Fluiddynamik umfaßt die Hydrostatik, die Hydrodynamik der idealen und viskosen Fluide sowie die laminaren und turbulenten Rohrströmungen. In der Thermodynamik werden nach Einführung der Begriffe und der Darstellung der thermischen Zustandsgleichungen idealer Gase der erste und zweite Hauptsatz behandelt, beginnend mit der für adiabate, einfache Systeme gültigen Form nach Caratheodory bis hin zur Bilanzaussage von Clausius Duhem mit Anwendungen auf wärmeleitende viskose Fluide und die kanonischen Zustandsgleichungen. In der Gasdynamik, in der die Akustik, die stationäre isentrope Stromfadentheorie und die Stoßtheorie behandelt sind, werden Fluid- und Thermodynamik miteinander verwoben.
Das Buch schließt - als Besonderheit in der Lehrbuchliteratur - mit einem Kapitel über Dimensionsanalyse und Modelltheorie. Es eröffnet neben der Erarbeitung technischer Fragestellungen ebenso den Blick für umweltrelevante Probleme. Viele Beispiele aus Technik und Naturwissenschaft unterstützen diese Blickweise.