Grundzüge Der Thermodynamik: Mit Historischen Anmerkungen

ISBN-13: 9783540422105 / Niemiecki / Miękka / 2001 / 464 str.

Ingo Muller

Opis

Geschrieben fur Studenten der Ingenieurwissenschaften, der Chemie und der Physik werden in diesem Lehrbuch die thermodynamischen Grundlagen sauber hergeleitet; dazu reichen die Mathematikkenntnisse des Grundstudiums. Das Buch enthalt Ubungsaufgaben und ist auch zum Selbststudium geeignet. Historische Anmerkungen lockern den Text auf und illustrieren die Begriffe von Temperatur, Energie und Entropie, indem sie deren schwierige Entstehung nachvollziehen. Unter sorgfaltiger Herleitung der thermodynamischen Grundlagen behandelt der Autor zahlreiche Anwendungen in der Physik und der Chemie, der Werkstoffkunde, der Warmeubertragung, der Gasdynamik usw. Die Neuauflage enthalt zahlreiche Verbesserungen, behalt aber das bewahrte padagogische Gesamtkonzept bei."

Spis treści

1 Aufgabe der Thermodynamik und ihre Bilanzgleichungen.- 1.1 Die Felder der Mechanik und Thermodynamik.- 1.1.1 Massendichte, Geschwindigkeit und Temperatur.- 1.1.2 Historisches zur Temperatur.- 1.2 Bilanzgleichungen.- 1.2.1 Die Erhaltungssätze der Thermodynamik.- 1.2.2 Bilanzen für abgeschlossene und offene Systeme.- 1.2.3 Lokale Bilanz in regulären Punkten.- 1.3 Massenbilanz.- 1.3.1 Integrale und lokale Massenbilanzen.- 1.3.2 Beispiel zur Massenbilanz: Düsenströmung.- 1.4. Impulsbilanz.- 1.4.1 Integrale und lokale Impulsbilanzen.- 1.4.2 Druck.- 1.4.3 Beispiel I zur Impulsbilanz: Druckverlauf in ruhender inkompressibler Flüssigkeit.- 1.4.4 Historisches zu Druck und Luftdruck. Druckeinheiten.- 1.4.5 Beispiel zum Druck: Auftriebsgesetz von Archimedes.- 1.4.6 Beispiel II zur Impulsbilanz: Raketengrundgleichung.- 1.4.7 Beispiel III zur Impulsbilanz: Konvektiver Impulsfluß.- 1.4.8 Beispiel IV zur Impulsbilanz: Düsenströmung.- 1.4.9 Beispiel V zur Impulsbilanz: Bernoulli-Gleichung.- 1.4.10 Beispiel zur Bernoulli-Gleichung: Auftriebsformel von Kutta-Joukovsky.- 1.5 Energiebilanz.- 1.5.1 Kinetische Energie, potentielle Energie und vier Arten der inneren Energie.- 1.5.2 Integrale und lokale Energiebilanzen.- 1.5.3 Potentielle Energie.- 1.5.4 Beispiel I zum Energiesatz: Düsenströmung.- 1.5.5 Beispiel II zum Energiesatz: Adiabate Drosselung.- 1.5.6 Beispiel III zum Energiesatz: Verdampfung.- 1.5.7 Beispiel IV zum Energiesatz: Fön.- 1.5.8 Beispiel V zum Energiesatz: Turbine.- 1.6 Bilanz der inneren Energie.- 1.6.1 Ableitung aus Energie-, Impuls-und Massenbilanz.- 1.6.2 Kurzform der Energiebilanzen für abgeschlossene Systeme.- 1.7 Erster Hauptsatz für reversible Prozesse. Grundlage der „pdV-Thermodynamik“.- 1.7.1 Arbeitsleistung und innere Arbeitsleistung im reversiblen Prozeß.- 1.7.2 Reversible Prozesse.- 1.8 Zusammenfassung der Bilanzgleichungen.- 1.9 Historisches zum ersten Hauptsatz.- 2 Materialgleichungen.- 2.1 Allgemeine Form der Materialgleichungen in Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen.- 2.1.1Notwendigkeit von Materialgleichungen.- 2.1.2Materialgleichungen für wärmeleitende Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase mit innerer Reibung.- 2.2 Bestimmung von Viskosität und Wärmeleitfähigkeit.- 2.2.1 Scherströmung zwischen zwei Platten. Newton'sches Reibungsgesetz.- 2.2.2 Wärmeleitung an Fensterscheibe.- 2.3 Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.1Thermische Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.2Historisches zur thermischen Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.3Kalorische Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.4Historisches zur kalorischen Zustandsgieichung idealer Gase. Der Versuch von Gay-Lussac.- 2.3.5 Eine instruktive Trivialform der kinetischen Gastheorie. Molekulare Deutung von Druck und Temperatur.- 2.3.6Beispiel I zum idealen Gas: Kolben fällt in Zylinder.- 2.3.7Beispiel II zum idealen Gas: Heizung eines Zimmers.- 2.3.8Beispiel III zum idealen Gas: Geschwindigkeit und Temperatur am Austritt eines Föns.- 2.3.9Beispiel IV zum idealen Gas: Düsenströmung.- 2.3.10 Beispiel V zum idealen Gas: Barometrische Höhenstufe.- 2.3.11 Beispiel VI zum idealen Gas: „Adiabatische Zustandsgieichung“.- 2.3.12 Beispiel VII zum idealen Gas: Kaminströmung.- 2.3.13 Beispiel VIII zum idealen Gas: Aufwindkraftwerk.- 2.4 Zustandsgieichungen von Flüssigkeiten und Dämpfen (ohne Phasenübergang).- 2.4.1 Die Notwendigkeit von Messungen.- 2.4.2Thermische Zustandsgieichung.- 2.4.3Kalorische Zustandsgieichung.- 2.4.4Zustandsgieichungen von flüssigem Wasser.- 2.5 Zustandsdiagramme für Flüssigkeiten und Dämpfe (mit Phasenübergang).- 2.5.1 Das Phänomen des Phasenübergangs „flüssig — dampfförmig“.- 2.5.2Schmelzen und Sublimieren.- 2.5.3Dampfdruckkurve und (p,T)-Diagramm von Wasser.- 2.5.4Naßdampfgebiet und (p,v)-Diagramm von Wasser.- 2.5.53-D-Phasendiagramm.- 2.5.6Verdampfungswärme und (h,T)-Diagramm von Wasser.- 2.5.7Beispiel I zur Verdampfung: Das Einweckglas.- 2.5.8Beispiel II zur Verdampfung: Der Dampfkochtopf.- 2.5.9Historisches zur Verflüssigung von Dämpfen und zur Erstarrung von Flüssigkeiten.- 2.5.10 Van-der-Waals-Gleichung.- 3 Reversible Prozesse. Die „pdV-Thermodynamik“ bei der Berechnung thermodynamischer Maschinen.- 3.1 Kompressor und Preßluftmaschine. Heißluftmaschine.- 3.1.1Die Arbeit am Kompressor.- 3.1.2Der zweistufige Kompressor.- 3.1.3Die Preßluftmaschine.- 3.1.4Die Heißluftmaschine.- 3.1.5Die Dampfmaschine.- 3.2 Arbeit und Wärme bei speziellen reversiblen Problemen.- 3.2.1Arbeit und Wärme im reversiblen Prozeß allgemein.- 3.2.2Arbeit und Wärme in irreversiblen „Isoprozessen“ und im adiabaten Prozeß für ideale Gase.- 3.3 Kreisprozesse.- 3.3.1 Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Wärme in Arbeit.- 3.3.2 Beispiel I zum Wirkungsgrad. Joule-Prozeß.- 3.3.3 Beispiel II zum Wirkungsgrad. Carnot-Prozeß.- 3.3.4 Beispiel III zum Wirkungsgrad. Ericson-Prozeß.- 3.4 Verbrennungsmotoren.- 3.4.1 Ottomotoren.- 3.4.2 Dieselmotor.- 4 Entropie.- 4.1 Der zweite Hauptsatz.- 4.1.1 Formulierung.- 4.1.2 Ergebnisse.- 4.1.3 Der universelle Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses.- 4.1.4 Absolute Temperatur als integrierender Faktor.- 4.1.5 Wachstum der Entropie.- 4.1.6 (T,S)-Diagramm und Maximaler Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses.- 4.2 Auswertung des zweiten Hauptsatzes.- 4.2.1 Integrabilitätsbedingung.- 4.2.2 Innere Energie und Entropie des Van-der-Waals-Gases und des idealen Gases.- 4.2.3 Alternativformen der Gibbs-Gleichung und der Integrabilitätsbedingung.- 4.2.4 Phasengleichgewicht. Gleichungen von Clausius-Clapeyron.- 4.2.5 Phasengleichgewicht im Van-der Waals-Gas.- 4.2.6Temperaturänderungen bei adiabater Drosselung. Beispiel: Van-der-Waals-Gas.- 4.2.7 Thermodynamische Stabilitätskriterien.- 4.2.8 Stabilitätsbedingungen.- 4.2.9 Legendre Transformationen.- 4.3 Historisches zum zweiten Hauptsatz.- 4.4 Die Entropie als S = k In W.- 4.4.1 Molekulare Deutung der Entropie.- 4.4.2 Entropie eines Gases und eines Polymermoleküls.- 4.4.3 Entropie als ein Maß für Unordnung.- 4.4.4 Das Wachstum der Unordnung.- 4.4.5Maxwell'sche Verteilungsfunktion.- 4.4.6Die Entropie eines Gummistabes.- 4.5 Beispiel zu Entropie und zweitem Hauptsatz: Gas und Gummi.- 4.5.1 Gibbs-Gleichung und Integrabilitätsbedingungen für Flüssigkeiten und Festkörper.- 4.5.2Beispiele für entropische Elastizität.- 4.5.3Reales Gas und kristallisiertes Gummi.- 4.5.4Freie Energie von Gasen und Gummis. (p,V)- und (P,L)-Kurven.- 4.5.5 Reversible und hysteretische Phasenübergänge.- 4.6 Historisches zur statistischen Interpretation der Entropie.- 5 Dampfmaschine und Kältemaschinen.- 5.1 Historisches zur Dampfmaschine.- 5.2 Dampfmaschine.- 5.2.1Das (T,s)-Diagramm.- 5.2.2Clausius-Rankine-Prozeß im (T,s)-Diagramm.- 5.2.3 Das (h,s)-Diagramm.- 5.2.4 Beispiel: Dampfdurchsatz und Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage.- 5.2.5 Instruktive Versuche zur Erhöhung des Wirkungsgrades.- 5.3 Kältemaschine und Wärmepumpe.- 5.3.1 Prinzip einer Kompressionskältemaschine.- 5.3.2Beispiel: Berechnung einer Kompressionskältemaschine.- 5.3.3 Wärmepumpe. Ein Beispiel.- 6 Wärmeübertragung.- 6.1 Instationäre Wärmeleitung.- 6.1.1Wärmeleitungsgleichung.- 6.1.2Trennung der Variablen.- 6.1.3Beispiel I: Wärmeleitung in einem adiabaten Stab der Länge L.- 6.1.4Beispiel II: Wärmeleitung in einem unendlich langen Stab.- 6.1.5Beispiel III: Temperaturmaximum in der Nähe eines Wärmepols.- 6.1.6Beispiel IV: Wärmewellen im Erdboden.- 6.1.7Historisches zur Wärmeleitung.- 6.2 Wärmetauscher.- 6.2.1Wärmeübergangszahlen und Wärmedurchgangszahl.- 6.2.2Temperaturgleichungen in Strömungsrichtung.- 6.2.3Temperaturverläufe.- 6.3 Wärmestrahlung.- 6.3.1Spektrales Emissionsverhältnis und spektrale Absorptionszahl.- 6.3.2Gemitteltes Emissionsverhältnis und gemittelte Absorptionszahl.- 6.3.3 Beispiel I zum Stefan-Boltzmann-Gesetz: Temperatur von Sonne und Planeten.- 6.3.4 Beispiel II zum Stefan-Boltzmann-Gesetz: Vergleich von Strahlung und Leitung.- 6.3.5 Historisches zur Wärmestrahlung.- 6.4 Nutzung der Sonnenenergie.- 6.4.1Verfügbarkeit der Sonnenenergie.- 6.4.2Thermosiphon.- 6.4.3Treibhaus.- 6.4.4Konzentrierende Kollektoren. Das Brennglas.- 7 Mischungen und Mischphasen.- 7.1 Chemisches Potential.- 7.1.1 Charakterisierung von Mischungen, Lösungen und Legierungen.- 7.1.2Das chemische Potential.- 7.1.3Acht nützliche Eigenschaften des chemischen Potentials.- 7.1.4Die Meßbarkeit des chemischen Potentials.- 7.2 Vermischungsgrößen Chemisches Potential idealer Mischungen.- 7.2.1Vermischungsgrößen allgemein.- 7.2.2Vermischungsgrößen bei idealen Gasen.- 7.2.3Ideale Mischungen.- 7.2.4Chemische Potentialfunktionen idealer Mischungen.- 7.3 Osmose.- 7.3.1 Osmotischer Druck in verdünnten Lösungen. Van't Hoff sches Gesetz.- 7.3.2Beispiel I zum osmotischen Druck Pfeffer'sche Säule.- 7.3.3Beispiel II zum osmotischen Druck: Meerwasserentsalzung.- 7.3.4 Beispiel III zum osmotischen Druck: Physiologische Kochsalzlösung.- 7.3.5 Eine energetische Interpretation der Osmose.- 7.4 Mischphasen.- 7.4.1Gibbs'sche Phasenregel.- 7.4.2Freiheitsgrade.- 7.5 Flüssig-Dampf-Gleichgewichte (ideal).- 7.5.1Ideales Raoult'sches Gesetz.- 7.5.2Ideale Phasendiagramme binärer Mischungen.- 7.5.3Verdampfungsvorgang im Phasendiagramm.- 7.5.4Beispiel I zum Raoult'schen Gesetz: CO2 in Atmosphäre und Meer.- 7.5.5Beispiel II zum Raoult'schen Gesetz: Mineralwasser.- 7.5.6Beispiel III zum Raoult'schen Gesetz: Dampfdruckerniedrigung und Siedepunktserhöhung.- 7.6 Weitere Beispiele zum Raoult'schen Gesetz.- 7.6.1Molmasse — das mol als Einheit.- 7.6.2Beispiel IV zum Raoult'schen Gesetz: Binäre Mischung aus Propan und Butan.- 7.6.3 Destillation im „Batch“ Verfahren.- 7.7 Flüssig-Dampf-Gleichgewicht (Real).- 7.7.1Aktivität und Fugazität.- 7.7.2Reales Raoult'sches Gesetz.- 7.7.3Bestimmung der Aktivitätskoeffizienten.- 7.7.4Bestimmung der Fugazitätskoeffizienten.- 7.7.5Aktivitätskoeffizient bei Mischungswärme Konstruktion von Phasendiagrammen.- 7.8 Freie Enthalpie einer Phasenmischung.- 7.8.1Graphische Bestimmung der Gleichgewichtsbedingungen.- 7.8.2Phasendiagramm bei lückenloser Mischbarkeit.- 7.8.3Mischungslücke in der flüssigen Phase.- 7.9 Legierungen.- 7.9.1(T,cl)-Diagramme.- 7.9.2Mischkristalle und Eutektikum.- 7.9.3Gibbs'sehe Phasenregel.- 7.9.4Andere Phasendiagramme.- 8 Chemisch reagierende Mischungen.- 8.1 Stöchiometrie und Massenwirkungsgesetz.- 8.1.1Stöchiometrie.- 8.1.2Beispiel zur Stöchiometrie: Atmungsquotient RQ.- 8.1.3Massenwirkungsgesetz.- 8.1.4Massen Wirkungsgesetz für ideale Mischungen und Mischungen idealer Gase.- 8.1.5Historisches zum Massenwirkungsgesetz.- 8.1.6Beispiel I zum Massenwirkungsgesetz idealer Gase:  aber-Bosch-Synthese.- 8.1.7Historisches zur Haber-Bosch-Synthese.- 8.1.8Beispiel II zum Massenwirkungsgesetz idealer Gase: Zerfall von Kohlendioxid.- 8.1.9 Gleichgewicht in stöchiometrischen Mischungen idealer Gase.- 8.2 Reaktionswärmen, Reaktionsentropie und absolute Entropiewerte.- 8.2.1Die additiven Konstanten in u und s.- 8.2.2Reaktionswärmen und Bindungsenergien.- 8.2.3Reaktionsentropien.- 8.2.4Prinzip vom kleinsten Zwang.- 8.3 Nernst'sches Wärmetheorem. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.3.1Dritter Hauptsatz in der Nernst'schen Formulierung.- 8.3.2Beispiel zum3. Hauptsatz: Umwandlungswärme von Zinn.- 8.3.3Dritter Hauptsatz in der Planck'schen Formulierung.- 8.3.4Absolutwerte von Energie und Entropie.- 8.4 Energetische und entropische Beiträge zum Gleichgewicht.- 8.4.1Drei Anteile der freien Enthaltpie.- 8.4.2Beispiel I: Wasserstoffdissoziation.- 8.4.3Beispiel II: Ammoniaksynthese.- 8.5 Die Brennstoffzelle.- 8.5.1Chemische Reaktionen.- 8.5.2Typenvielfalt.- 8.5.3Thermodynamik.- 8.5.4Effekt von Temperatur- und Druckänderungen.- 8.5.5Leistung der Brennstoffzelle.- 8.5.6Wirkungsgrad.- 8.6 Thermodynamik der Photosynthese.- 8.6.1Das Dilemma der Glukose-Synthese.- 8.6.2Massenbilanzen.- 8.6.3Energiebilanz. Warum eine Pflanze viel Wasser braucht.- 8.6.4Entropiebilanz. Warum eine Pflanze viel Luft braucht.- 8.6.5Diskussion.- 9 Feuchte Luft.- 9.1 Charakterisierung feuchter Luft.- 9.1.1Feuchtegrad.- 9.1.2Enthalpie feuchter Luft.- 9.1.3Tabelle für feuchte Luft.- 9.1.4Das (h1+x, x)-Diagramm.- 9.2 Einfache Prozesse in feuchter Luft.- 9.2.1Zufuhr von Wasser.- 9.2.2Erwärmung.- 9.2.3Mischen.- 9.2.4Mischung feuchter Luft mit Nebel.- 9.3 Verdampfungsgrenze und Kühlgrenze.- 9.3.1Massenbilanz und Verdampfungsgrenze.- 9.3.2Energiebilanz und Kühlgrenze.- 9.4 Zwei instruktive Beispiele — Sauna und Wolkenuntergrenze.- 9.4.1Eine Sauna wird klimatisiert.- 9.4.2Wolkenuntergrenze.- 9.5 Faustregeln.- 9.5.1Alternative Feuchteangaben.- 9.5.2Trocken-adiabatischer Temperaturgradient.- 9.5.3Die Wolkenuntergrenze. Abschätzung.- 9.6 Verdunstung.- 9.6.1Der Druck von gesättigtem Dampf bei Gegenwart von Luft.- 9.6.2Verdunstung.- 9.6.3Zwei Beispiele für Verdunstung.- 10 Ausgesuchte Probleme der Thermodynamik.- 10.1 Tropfen und Blasen.- 10.1.1 Verfügbare freie Energie.- 10.1.2 Notwendige und hinreichende Gleichgewichtsbedingungen.- 10.1.3 Verfügbare freie Energie als Funkton des Radius’.- 10.1.4 Keimbildungsbarriere für Tropfen.- 10.1.5 Keimbildungsbarriere für Blasen.- 10.1.6 Bewertung.- 10.2 Nebel und Wolken. Tropfen in feuchter Luft.- 10.2.1 Problemstellung.- 10.2.2 Verfügbare freie Energie, Gleichgewichtsbedingungen.- 10.2.3 Wasserdampfdruck im Phasengleichgewicht.- 10.2.4 Die Form der verfügbaren freien Energie.- 10.2.5 Keimbildungsbarriere und Tropfenradius.- 10.3 Luftballons.- 10.3.1 Druck-Radius-Charakteristik.- 10.3.2 Stabilität eines Ballons.- 10.3.3 Ein anschauliches Argument zur Stabilität des Ballons.- 10.3.4 Gleichgewichte kommunizierender Ballons.- 10.4 Schall.- 10.4.1 Wellengleichung.- 10.4.2 Lösung der Wellengleichung. d'Alembert-Methode.- 10.4.3 Ebene harmonische Wellen.- 10.4.4 Ebene harmonische Schallwellen.- 10.5 Landau-Theorie der Phasenübergänge.- 10.5.1 Freie Energie und Last als Funktion von Temperatur und Dehnung.- 10.5.2 Phasenübergang erster Ordnung.- 10.5.3 Phasenübergang zweiter Ordnung.- 10.5.4 Phasenübergänge unter Last.- 10.5.5 Eine Bemerkung zur Klassifizierung von Phasenübergängen.- 10.6 Schwellen und Schrumpfen von Gelen.- 10.6.1 Phänomene.- 10.6.2 Freie Enthalpie.- 10.6.3 Schwellen und Schrumpfen als Funktion der Temperatur.- 10.7 Gedächtnislegierungen.- 10.7.1 Phänomene und Anwendungen.- 10.7.2 Ein Modell für Gedächtnislegierungen.- 10.7.3 Entropische Stabilisierung.- 10.7.4 Pseudoelastizität.- 10.7.5 Latente Wärme.- 10.7.6 Simulation einer Gedächtnislegierung.- 11 Thermodynamik irreversibler Prozesse.- 11.1 Reinstoffe.- 11.1.1 Die Gesetze von Fourier und Navier-Stokes.- 11.1.2 Scherströmung und Wärmeleitung zwischen zwei Platten.- 11.1.3 Absorption und Dispersion des Schalls.- 11.2 Mischungen.- 11.2.1 Die Gesetze von Fourier, Fick und Navier-Stokes.- 11.2.2 Diflfusionskoeffizienten und Diffusionsgleichung.- 11.2.3 Stationäre Wärmeleitung gekoppelt mit Diffusion und chemischer  Reaktion.- Namen- und Sachverzeichnis.

Blurb

Seit 20 Jahren hören Studenten der Ingenieurwissenschaften, der Chemie und der Physik die Vorlesungen des Autors zur Thermodynamik. Daraus ist das vorliegende Buch entstanden. Die thermodynamischen Grundlagen werden sauber hergeleitet; bnötigt werde dazu die Mathematikkenntnisse des Grundstudiums. Das Buch enthält Übungsaufgaben und ist auch zum Selbststudium geeignet. Historische Anmerkungen lockern den Text auf und illustrieren die Begriffe von Temperatur, Energie und Entropie, indem sie deren schwierige Entstehung nachvollziehen. Unter sorgfältiger Herleitung der thermodynamischen Grundlagen behandelt der Autor zahlreiche Anwendungen: - im Maschinenbau: Fön, Kompressor, Heißluftmaschine, Dampfmaschine, Kühlschrank, Verbrennungsmotoren - in der Verfahrenstechnik: Osmose, Löslichkeit von Gas - in der physikalischen Chemie: Gummi, Gele - in der Werkstoffkunde: Phasendiagramme, Memory Metalle - in der Mechanik: Stabilität von Luftballons - in der Chemie: chemisches Gleichgewicht, Reaktionswärme - in der Wärmeübertragung: Wärmeleitung im Stab, Strahlung - in der Gasdynamik: Düsenströmung - in der Klimatechnik: Heizung und Befeuchtung von Räumen - in der Meteorologie: barometrische Höhenstufe, Wolkenbasis - in der Akustik: Schallausbreitung, Schallamplituden.