Übungsaufgaben zur Thermodynamik mit Mathcad ® (ohne Lösungen) (eBook)

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
1 Größen und Einheiten der Thermodynamik 10
1.1 Größen und Einheiten, allgemein 10
1.2 Grundgrößen 11
1.3 Abgeleitete Größen 13
2 Thermodynamische Systeme 18
3 Zustandsgleichung 19
4 Energien, der Erste Hauptsatz 22
4.1 Geschlossenes System ( innere Energie, Arbeit, Wärme, 1. Hauptsatz) 22
4.2 Offenes System (Enthalpie, technische Arbeit, Wärme) 27
5 Entropie und T-s-Diagramm 31
6 Zustandsgleichungen für ideale (perfekte) Gase 33
6.1 Zustandsänderungen idealer Gase bei konstantem Polytropenexponent 34
6.2 Allgemeine Zustandsänderungen idealer Gase 50
7 Kreisprozesse, Carnot-Prozess 51
8 Der Zweite Hauptsatz 55
9 Exergie und Anergie, irreversible Prozesse 59
9.1 Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems 59
9.2 Exergie eines Massenstromes (Exergie der Enthalpie) 60
9.3 Exergie der Wärme 61
9.4 Kraft-Wärme-Kopplung 63
9.5 Spezielle irreversible Prozesse 64
10 Mischungen idealer Gase 69
11 Spezifische Wärmekapazität idealer Gase 73
12 Feuchte Luft 78
13 Das Zustandsverhalten reiner Stoffe 84
13.1 Allgemeines 84
13.2 Das Zustandsverhalten von Wasser 85
14 Verbrennung 97
14.1 Stoffbilanzen 97
14.2 Brennwert, Heizwert und theoretische Verbrennungstemperatur 101
14.3 Wasserdampftaupunkt des Rauchgases 104
14.4 Abgaskontrolle 107
15 Vergleichsprozesse für spezielle Maschinen 109
15.1 Otto-Prozess 109
15.2 Diesel-Prozess 111
15.3 Seiliger-Prozess 111
15.4 Joule-Prozess 112
15.5 Clausius-Rankine-Prozess 113
15.6 Kaltdampfprozess zum Kühlen und Heizen 115
16 Wärmeübertragung 117
16.1 Wärmeleitung 117
16.2 Konvektion 120
16.3 Wärmedurchgang 123
16.4 Wärmeübertrager 126
16.5 Wärmestrahlung 130
17 Hinweise zum Arbeiten mit dem Übungsbuch 139
17.1 Systemvoraussetzungen 139
17.2 CD-ROM zum Buch 139
17.3 Elektronische Bücher in Mathcad 139
17.4 Das Elektronische Buch „Übungsaufgaben zur Thermodynamik“ 140
17.5 Programmstart 141
17.6 Voraussetzungen zur Aktivierung aller Funktionen des Übungsbuches 144
17.7 Weitere wichtige Hinweise 145
18 Literaturverzeichnis 148
19 Sachwortverzeichnis 150

15 Vergleichsprozesse für spezielle Maschinen (S. 108-107)

Wie in Kap. 8 gezeigt, gibt es keinen Kreisprozess, der bei gleichen Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen besseren Wirkungsgrad erreicht als der Carnot- Prozess. Letzterer, obwohl technisch nicht realisierbar, dient daher als "Messlatte" für alle anderen Prozesse. Für spezielle Maschinen, in denen Kreisprozesse ablaufen, braucht man jedoch weitere Vergleichsmöglichkeiten, die zeigen, was im günstigsten (theoretischen) Falle mit einer solchen Maschine erreichbar wäre. Solche Vergleichsprozesse sind ebenfalls idealisiert. Sie laufen, wenn nicht z.B. gerade ein Drosselvorgang notwendige Voraussetzung für die Durchführbarkeit ist, ohne Reibung (und sonstige Dissipation) ab und sind dann innerlich reversibel. Auch wird mit unendlich kleinen Zeiten für die Wärmeübertragung gerechnet. Um die grundsätzlichen Einflüsse ohne kompliziertes numerisches Rechnen aufzeigen zu können, wird in der technischen Thermodynamik üblicherweise bei den Verbrennungskraftmaschinen auch der Arbeitsstoff idealisiert, d.h., man vernachlässigt die chemischen Umwandlungen und rechnet mit Luft als idealem Gas mit konstanter spezifischer Wärmekapazität ("perfektes Gas")

Vergleich eines beliebigen Prozesses mit dem Carnot-Prozess:
Bild 15.1 Allgemeiner Kreisprozess (Abbildung nicht in Leseprobe vorhanden)

Bei einem innerlich reversiblen Prozess (gelbes "Ei") stellen die Flächen unter den Kurven die Wärme dar. Man kann durch Flächenausgleich jeweils für die Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr mittlere Temperaturen finden, mit denen sich ein äquivalenter Carnot- Prozess (mit gleichen Flächenverhältnissen, also gleichem Wirkungsgrad) bilden lässt. Man erkennt, dass dieser Prozess immer schlechter ist als ein mit der maximalen und minimalen Prozesstemperatur geführter Carnot-Prozess (Tmin= Umgebungstemperatur).

15.1 Otto-Prozess

Der 4-Takt-Otto-Motor hat bei 2 Umdrehungen der Kurbelwelle einen Arbeitskreislauf. Je ein Kolbenhub ist zum Füllen und Ausschieben notwendig. Die dazu erforderlichen Arbeiten heben sich auf und spielen für den theoretischen Kreisprozess keine Rolle. Dieser hat folgende Zustandsänderungen:

1. Verdichten von 1 nach 2 isentrop
2. Wärmezufuhr in der Zeit dt = 0 isochor
3. Expansion von 3 nach 4 isentrop
4. Wärmeabfuhr von 4 nach 1 isochor

Beim realen Prozess muss der Zylinder gekühlt werden, der Druckabbau von 4 nach 1 wird nur annähernd durch das schnelle Öffnen des Auslassventils erreicht, auch die Verbrennung des Treibstoffes in der angesaugten Frischluft benötigt Zeit (keine Isochore). Beim Ansaugen durch den Luftfilter und beim Ausschieben durch die Abgasanlage entstehen Strömungsdruckverluste (Schleife mit negativer Arbeitsfläche im p-v- Diagramm).

Der thermische Wirkungsgrad des Otto-Prozesses kann mit den o.e. Vereinfachungen geschrieben werden: ...