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Übungsbuch Thermodynamik für Dummies

Für Dummies 1. Aufl.

von: Raimund Ruderich
21,99 €
Verlag:	Wiley-VCH
Format:	EPUB
Veröffentl.:	26.07.2018
ISBN/EAN:	9783527811946
Sprache:	deutsch
Anzahl Seiten:	440

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Beschreibungen

Titelbeschreibung

Jeder Studierende braucht Übungsaufgaben - zur Thermodynamik allemal! Gute, gezielte Aufgaben und Übungen tragen enorm zum tieferen Verständnis bei. Selbst wenn es zunächst noch nicht so klappt: In diesem Buch werden die Lösungen der Aufgaben und Beispiele vollständig durchgerechnet, auf Grundbeziehungen zurückgeführt und methodisch erklärt. Nach einigen Beispielen werden Lösungsstrukturen ersichtlich. Das schafft Lösungssicherheit und ein gutes Gefühl vor der nächsten Prüfung.

Inhaltsverzeichnis

Über den Autor 7 Danksagung 7 Einleitung 21 Über dieses Buch 21 Konventionen in diesem Buch 21 Törichte Annahmen über die Leser 22 Wie dieses Buch aufgebaut ist 22 Teil 1: Grundlegendes (Kapitel 1, 2, 3) 23 Teil 2: Fluide, die in Bewegung sind (Kapitel 4, 5, 6, 7) 23 Teil 3: Energiebilanzen mit realen und idealen Gasen (Kapitel 8, 9, 10, 11, 12) 23 Teil 4: Zustandsänderungen der Stoffe (Kapitel 13 und 14) 24 Teil 5: Kreisprozesse mit Gasen und Wasserdampf (Kapitel 15, 16, 17) 24 Top-Ten-Teil (Kapitel 18) 24 Lösungen zu den Übungsaufgaben 24 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 25 Wie es weitergeht 25 TEIL I GRUNDLEGENDES 27 Kapitel 1 Bausteine der Thermodynamik 29 Atome und Moleküle 29 Temperatur 𝜗 und absolute Temperatur T 31 Volumenausdehnungskoeffizienten der Stoffe 33 Der Druck in Flüssigkeiten und Gasen 35 Hydrostatischer Druck in einer Flüssigkeit 36 Den Druck eines Gases mit einem Schrägrohrmanometer messen 40 Norm- und Standardzustand eines Gases 41 Normzustand eines Gases 42 Standardzustand eines Gases43 Die Stoffmenge einer Substanz 43 Das Molvolumen 44 SI-Einheiten 45 Umrechnungstafel der abgeleiteten Einheiten 46 Kohärente und inkohärente Einheiten 46 Übungsaufgaben 47 Aufgabe 1.1: Einheiten umrechnen 47 Aufgabe 1.2: Die Stoffmenge in einem Kilogramm Wasser berechnen 47 Aufgabe 1.3: An einem schrägen U-Rohrschenkel die Ablesegenauigkeit erhöhen 47 Aufgabe 1.4: Eine einfache Druckerhöhung bewerkstelligen 48 Aufgabe 1.5: Den Druckabfall in einer Wasserleitung berechnen 48 Kapitel 2 Wärmekapazitäten 51 Wärmekapazitäten der Gase 51 Mittlere spezifische Wärmekapazitäten 54 Tabellierte mittlere Wärmekapazitäten 56 Wärmekapazitäten der Flüssigkeiten und Festkörper 60 Übersicht: Wärmekapazitäten der Stoffe 61 Experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität c𝑝 62 Übungsaufgaben 64 Aufgabe 2.1: Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen 64 Aufgabe 2.2: Warmwasser bereitstellen 65 Aufgabe 2.3: Die Wärmekapazität einer Sodalösung berechnen 65 Kapitel 3 Ideale Gase 67 Eigenschaften eines idealen Gases 67 Die Grundform der idealen Gasgleichung 68 Historische Entwicklung der idealen Gasgleichungen 69 Ideale Gasgleichungen (Thermische Zustandsgleichungen) 71 Übungsaufgaben 79 Aufgabe 3.1: Das Molvolumen aus der Dichte eines Gases berechnen 79 Aufgabe 3.2: Molmasse eines H-Atoms bestimmen 79 Aufgabe 3.3: Stoffmenge eines Salzkristalls 80 Aufgabe 3.4: Massenstrom berechnen 80 Aufgabe 3.5: Luftfederung 81 Aufgabe 3.6: Druckausgleich bei verschiedenen Gasen 81 Aufgabe 3.7: Einen Gasbehälter auf Dichtheit prüfen 82 Aufgabe 3.8: Ein Kilogramm Gas im Normzustand einschließen 82 Aufgabe 3.9: Ein dreistufiger Verdichtungsprozess 83 Aufgabe 3.10: Eine luftgefüllte Stahlflasche kühlt sich ab 83 Aufgabe 3.11: Sauerstoff in Flaschen umfüllen 83 Aufgabe 3.12: Dauerbelastung eines pneumatischen Stoßdämpfers 83 Aufgabe 3.13: Masse und Stoffmenge 84 Aufgabe 3.14: Norm- und Standardzustand 84 Aufgabe 3.15: Außergewöhnlicher Verdichtungsprozess 84 Aufgabe 3.16: Masse und Dichte einer Stoffmenge 85 Aufgabe 3.17: Zum 1. Gesetz von Gay-Lussac (Gesetz von Charles) 85 Aufgabe 3.18: Relative Zustandsgrößen berechnen 86 TEIL II FLUIDE, DIE IN BEWEGUNG SIND 87 Kapitel 4 Mischungen idealer Gase 89 Die Konzentration einer Substanz in einer Mischung 89 Massenkonzentration 90 Stoffkonzentration 90 Volumenkonzentration 92 Zusammenhang zwischen Massen- und Stoffkonzentration 92 Gesetz von Dalton 93 Spezielle Gaskonstante einer Mischung 94 Die Dichte einer Gasmischung 95 Spezifische Wärmekapazitäten einer Mischung 95 Intensive und extensive Zustandsgrößen 96 Innere Energie einer Mischung aus idealen Gasen 97 Enthalpie einer Mischung aus idealen Gasen 98 Mischungstemperatur 100 Entropieänderung einer Mischung aus idealen Gasen 101 Übungsaufgaben 101 Aufgabe 4.1: Partialdrücke und Temperatur einer Gasmischung 101 Aufgabe 4.2: Eine Massenkonzentration in Volumenanteile umrechnen 102 Aufgabe 4.3: Die Dichte einer O2-N2-Gasmischung berechnen 102 Aufgabe 4.4: Gaslieferung an ein Zementwerk 102 Aufgabe 4.5: Partialdrücke und Mischtemperatur 103 Aufgabe 4.6: Brennwert einer Gasmischung 103 Aufgabe 4.7: Mischung aus gegebenen Volumenkonzentrationen 103 Aufgabe 4.8: Mittlere Molmasse einer Gasmischung 103 Aufgabe 4.9: Eine Gasmischung für Schutzgasschweißungen 104 Aufgabe 4.10: Kaltes und heißes Wasser mischen 104 Aufgabe 4.11: Mittlere Molmasse einer Mischung 104 Aufgabe 4.12: Dichte und Gesamtmasse einer Mischung 104 Aufgabe 4.13: Die Wärmekapazität in einem Experiment bestimmen 105 Kapitel 5 Kompressibilität der Fluide 107 Das Hooke’sche Gesetz der Festkörper 107 Das Hooke’sche Gesetz der Flüssigkeiten und Gase 108 Übungsaufgaben 116 Aufgabe 5.1: Kompressionsmodul und örtlicher Gasdruck 116 Aufgabe 5.2: Dichteänderung der Luft in einer isothermen Atmosphäre 116 Aufgabe 5.3: Kompressionsmodul einer Ölmenge bestimmen 117 Aufgabe 5.4: Dichteänderung versus Kompressionsmodul 117 Kapitel 6 Aerostatik und Auftrieb 119 Die Standardatmosphäre 120 Isotherme Atmosphäre (barometrische Höhenformel) 125 Auftriebskräfte in Fluiden 127 Auftrieb in Flüssigkeiten 127 Schwimmen, Schweben, Sinken und Aufsteigen 128 Thermischer Auftrieb in Fluiden 130 Übungsaufgaben 130 Aufgabe 6.1: Wie hoch steigt ein Ballon? 130 Aufgabe 6.2: Luftdruck am Berggipfel 131 Aufgabe 6.3: Auftrieb in der Atmosphäre 131 Aufgabe 6.4: Luftdruck am Boden eines Erdschachts 131 Aufgabe 6.5: Auftriebsfehler bei präzisen Wägungen in der Luft 132 Aufgabe 6.6: Zeppeline können auch Lasten tragen 132 Aufgabe 6.7: Wie tief taucht ein Körper in eine Flüssigkeit beim Schwimmen ein? 132 Aufgabe 6.8: Der Auftriebszug im Schornstein 133 Aufgabe 6.9: Archimedes und Gold 133 Aufgabe 6.10: Öchslegrad 133 Kapitel 7 Erhaltung der Masse 135 Eindimensionale Kontinuitätsgleichung für Flüssigkeiten 135 Eindimensionale Kontinuitätsgleichung für Gase 137 Kontinuitätsgleichung in 3-D-Strömungsfeldern 137 Was ist ein Vektorfeld? 137 Die allgemeine Kontinuitätsgleichung für Gase als Feldgleichung 139 Kontinuitätsgleichung für flüssige 3-D-Strömungsfelder 142 Übungsaufgaben 144 Aufgabe 7.1: Divergenz eines zweidimensionalen Vektorfelds 144 Aufgabe 7.2: Ein allgemeines Vektorfeld eines Gases 144 Aufgabe 7.3: Eindimensionale Kontinuitätsgleichung 144 Aufgabe 7.4: Ein rechteckiger Luftkanal 144 Aufgabe 7.5: Ist das Feld einer Grenzschichtströmung inkompressibel? 144 Aufgabe 7.6: Zwei Gasströme werden gemischt 145 Aufgabe 7.7: Ein Geschwindigkeitsfeld auf Inkompressibilität prüfen 145 Aufgabe 7.8: Wie schnell steigt der Wasserspiegel in einem Gefäß? 145 Aufgabe 7.9: Strömungsverzweigung in einer Arterie 145 Aufgabe 7.10: Wasserstandsänderung in einem Tank 146 Aufgabe 7.11: Beschleunigte Hochdruckströmung eines heißen Gases 147 Aufgabe 7.12: Volumenstrom eines Gases aus einer Erdgasquelle 147 Aufgabe 7.13: Wie schnell lässt sich ein Schwimmbecken füllen? 148 Aufgabe 7.14: In welcher Zeit wird ein Trichter mit Wasser gefüllt? 148 TEIL III ENERGIEBILANZEN MIT REALEN UND IDEALEN GASEN 149 Kapitel 8 Reale Gase 151 Eigenschaften realer Gase 151 Van-der-Waals-Gase und ihre Zustandsgleichungen 152 Beschreibung realer Gase mit der Realgasgleichung 162 Übungsaufgaben 166 Aufgabe 8.1: Vergleichsrechnung zwischen realem und idealem Gas 166 Aufgabe 8.2: Den Druck in einem Behälter bestimmen 166 Aufgabe 8.3: Den Stoffstrom durch eine Gasleitung berechnen 167 Aufgabe 8.4: Wirkliche Dichteänderung eines strömenden Gases 167 Kapitel 9 Einstieg in die höhere Thermodynamik 169 Totale Differenziale. 169 Das Differenzial einer Funktion 169 Funktionenmit mehreren Veränderlichen 171 Implizite Funktionen und ihre Ableitungen 176 Implizite Funktionen ableiten177 Allgemeine Eigenschaften impliziter Zustandsgleichungen 179 Übungsaufgaben 185 Aufgabe 9.1: Druckänderung eines idealen Gases infolge einer Temperaturund Volumenänderung 185 Aufgabe 9.2: Volumenänderung eines Van-der-Waals-Gases infolge einer Temperaturänderung 185 Aufgabe 9.3: Messfehler mit totalen Differenzialen abschätzen 185 Aufgabe 9.4: Die Änderung der inneren Energie eines Van-der-Waals-Gases infolge einer Verdichtung des Gases 185 Aufgabe 9.5: Die spezifische innere Energieänderung eines idealen Gases bestimmen 186 Kapitel 10 Erster Hauptsatz für offene Systeme 187 Thermodynamische Systeme 187 Die Systemgrenze umgibt das System 188 Allgemeine Erklärung der reversiblen Prozesse 188 Innere Energie 189 Mikroskopische Beschreibung der inneren Energie eines idealen Gases 189 Makroskopische Beschreibung der inneren Energie eines realen Gases 190 Der erste Hauptsatz für offene Systeme 191 Spezifische Energien formulieren 194 Mathematische Formulierung der Energiebilanz 195 Die integrale Form des ersten Hauptsatzes für offene Systeme 197 Spezifische Enthalpie eines idealen Gases 198 Technische Arbeit. 199 Der erste Hauptsatz für offene Systeme als Leistungsbilanz 201 Übungsaufgaben 205 Aufgabe 10.1: Industrieller Lufterhitzer 205 Aufgabe 10.2: Wasserturbine 206 Aufgabe 10.3: Die Reibungsarbeit in einer Strömung ermitteln 206 Aufgabe 10.4: Die Leistung einer Wasserpumpe berechnen 207 Kapitel 11 Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme 209 Die Energiebilanz für geschlossene Systeme 209 Integrale Form des ersten Hauptsatzes 211 Leistungsbilanz im geschlossenen System 212 Thermodynamische Arbeit 213 Reversible Wärme 215 Reversible adiabate Prozesse idealer Gase 216 Die Arbeit eines adiabatischen Prozesses 218 Übungsaufgaben 223 Aufgabe 11.1: Isobare Expansion eines idealen Gases 223 Aufgabe 11.2: Mischungstemperatur und Gleichgewichtsdruck einer Gasmischung 223 Aufgabe 11.3: Nutzungsgrad eines Prozesses 224 Aufgabe 11.4: Kaltes und heißes Wasser mischen 224 Aufgabe 11.5: Adiabate Expansion eines idealen Gases 224 Kapitel 12 Entropie und der zweite Hauptsatz 225 Molekularstatistische Interpretation der Entropie 225 Entropie und thermodynamische Wahrscheinlichkeit 226 Stirlings Näherungsformel 229 Gleichgewichtszustand und Maximum der Entropie 229 Die Entropie als Zustandsfunktion. 234 Die Entropie eines idealen Gases 235 Entropieänderung reiner Stoffe infolge von Zustandsänderungen 238 Entropieänderungen bei irreversiblen Vorgängen 239 Die Gesamtentropie eines Gesamtsystems (Universums) 240 Temperaturausgleich zwischen zwei Teilsystemen 242 Übungsaufgaben 250 Aufgabe 12.1: Entropieproduktion eines expandierenden idealen Gases. 250 Aufgabe 12.2: Ist die reversible Wärme 𝛿qrev(T, v) eine Zustandsgröße? 250 Aufgabe 12.3: Ist die Entropie ds eine Zustandsfunktion? 251 Aufgabe 12.4: Ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verletzt? 251 Aufgabe 12.5: Den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik anwenden 252 Aufgabe 12.6: Wärmeleitung durch eine Wand 253 Aufgabe 12.7: Entropieproduktion beim Wärmedurchgang durch eine Wand 253 Aufgabe 12.8: Erfüllt der Betrieb eines Axialkompressors den zweiten Hauptsatz? 254 Aufgabe 12.9: Die Entropieänderung bestimmt die Strömungsrichtung 254 Aufgabe 12.10: Eine Flüssigkeit mit einem Quirl erwärmen 255 TEIL IV ZUSTANDSÄNDERUNGEN DER STOFFE 257 Kapitel 13 Der Joule-Thomson-Effekt 259 Das Experiment 259 Der Joule-Thomson-Koeffizient 265 Übungsaufgaben 272 Aufgabe 13.1: Aus einer Druckflasche entweicht Sauerstoff 272 Aufgabe 13.2: Isenthalpe Expansion eines Gases bei hohem Druck 272 Kapitel 14 Zustandsänderungen idealer Gase 275 Wichtige thermodynamische Prozesse idealer Gase 275 Isotherme Zustandsänderung dT = 0 276 Isobare Zustandsänderung dp = 0 279 Isochore Zustandsänderung dv = 0 281 Isentrope Zustandsänderung ds = 0 283 Polytrope Zustandsänderung287 Übungsaufgaben 292 Aufgabe 14.1: Entropieänderung einer polytropen Zustandsänderung 292 Aufgabe 14.2: Übertragung der Prozessfunktionen ds = 0 und dv = 0 aus dem p-v-Diagramm in das T-s-Diagramm 292 Aufgabe 14.3: Sind Änderungen der inneren Energie wegunabhängig? 293 TEIL V KREISPROZESSE MIT GASEN UND WASSERDAMPF 295 Kapitel 15 Thermodynamische Kreisprozesse 297 Wie werden Kreisprozesse thermodynamisch beschrieben? 297 Ein rechtsläufiger Kreisprozess 298 Ein linksläufiger Kreisprozess 299 Der erste Hauptsatz für reversible Kreisprozesse 300 Berechnungsansätze für Kreisprozesse 301 Rechtsläufige Kreisprozesse 303 Der Carnot-Kreisprozess 310 Linksläufige Kreisprozesse 320 Übungsaufgaben 325 Aufgabe 15.1: Ein rechtsläufiger Carnot-Kreisprozess 325 Aufgabe 15.2: Maximale reversible Arbeit zwischen zwei Temperaturen 325 Aufgabe 15.3: Wahr oder falsch: Zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine. 325 Aufgabe 15.4: Ein theoretischer Kreisprozess zum Üben 325 Kapitel 16 Wasser und Wasserdampf 327 Grundbegriffe der Kraftwerkstechnik 327 3-D-Zustandsdiagramm für Wasser und Wasserdampf 332 Zweidimensionale Phasendiagramme 335 Das p-v-Diagramm des reinen Wassers 335 Das p-𝜗-Diagramm 336 Das 𝜗-s-Diagramm für H2O. 337 Das h-s-Diagramm für H2O. 338 Die Wasserdampftafeln 340 Die Temperaturtafel (Tafel I) 340 Die Drucktafel (Tafel II) 340 Wasser und überhitzter Dampf (Tafel III) 340 Übungsaufgaben 356 Aufgabe 16.1: Zum Betrieb eines Überhitzers und einer Dampfturbine 356 Aufgabe 16.2: Wirkungsgrad eines Erwärmungsvorgangs 357 Aufgabe 16.3: Wasser isobar erhitzen 357 Aufgabe 16.4: Wie funktioniert ein Geysir? 357 Kapitel 17 Fundamentalgleichungen und die Maxwell-Beziehungen 359 Herleitung der Fundamentalgleichung 359 Maxwell-Beziehungen 361 Übungsaufgaben 371 Aufgabe 17.1: Isobarer Ausdehnungskoeffizient eines Van-der-Waals-Gases 371 Aufgabe 17.2: Zahlenbeispiel zum Ausdehnungskoeffizienten der Luft 371 TEIL VI TOP-TEN-TEIL 373 Kapitel 18 Zehn 3-D-Darstellungen von Kreisprozessen 375 Mit fünf Prozessfunktionen lassen sich die wichtigsten Kreisprozesse beschreiben 375 Der Otto-Kreisprozess in 3-D-Darstellung 377 Diesel-Kreisprozess. 378 Seilinger-Kreisprozess 379 Der Carnot-Kreisprozess im p-v-T-Diagramm 381 Der Carnot-Kreisprozess im T-s-p-Diagramm 382 Der Joule-Kreisprozess (offener Gasturbinenprozess) 383 Ericson-Kreisprozess (geschlossener Gasturbinenprozess) 384 Der Stirling-Kreisprozess 385 Der Clausius-Rankine-Kreisprozess386 Anhang Lösungen und Lösungswege 389 Stichwortverzeichnis 437

Autorenportrait

Raimund Ruderich war bis zu seiner Pensionierung Professor für Thermo- und Fluiddynamik an der Hochschule Ulm. Der Spezialist für Brennstoffzellensysteme, der 2008 mit dem Landeslehrpreis Baden-Württemberg ausgezeichnet wurde, ist auch im Ruhestand weiter als Lehrbeauftragter an der Hochschule Ulm tätig.