Christian Kautz

Das Buch und sein Konzept

Zusatzlich und ausfuhrlicher als in einem Vorwort soll hier erlautert werden, was die Besonderheit des vorliegenden Buches im Vergleich zu den vielen Lehrbuchern der Thermodynamik ausmacht, die seit vielen Jahren „auf dem Markt sind“.

Das SMART-Konzept

Thermodynamische Zusammenhange mussen analysiert und verstanden werden, wenn sie gezielt eingesetzt werden sollen, um technische Anlagen zu entwerfen, zu realisieren und anschliesend erfolgreich zu betreiben. Dieses umfasst viele Einzelaspekte, die als solche den Umfang von Ubungsaufgaben haben konnen, mit denen auf den Einsatz im spateren Berufsleben vorbereitet werden soll.

Arbeitsprozesse (rechtsläufige Kreisprozesse)

Maschinen und Anlagen, in denen rechtslaufige Kreisprozesse realisiert werden, dienen der Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus thermischer Energie. Hierbei wird als „thermische Energie“ diejenige Energie bezeichnet, die einem System in Form von Warme durch einen sog. auseren Warmeubergang zugefuhrt oder in einem System durch einen Verbrennungsvorgang freigesetzt wird, was dann als innerer Warmeubergang bezeichnet wird. Je nach Art des Warmeuberganges liegen sog. Warmekraftmaschinen (auserer Warmeubergang) oder Verbrennungskraftmaschinen (innerer Warmeubergang) vor. Beide Varianten werden nacheinander ausfuhrlich behandelt. Eine Kombination beider Anlagentypen wird als kombiniertes Gas-Dampf-Kraftwerk (GuD) am Ende dieses Kapitels vorgestellt.

Wärmeprozesse (linksläufige Kreisprozesse)

Maschinen und Anlagen, in denen linkslaufige Kreisprozesse realisiert werden, nutzen einen der beiden Warmestrome, die bei diesen Prozessen auftreten, zur Heizung oder Kuhlung eines mit den Maschinen oder Anlagen im thermischen Kontakt stehenden Raumes. Bevor diese Anlagen bzw. die darin ablaufenden Prozesse naher beschrieben werden, soll zunachst die Physik des Heizens und Kuhlens erlautert werden. Zum besseren Verstandnis werden dabei nicht nur die stationaren Prozesse, sondern auch die transienten „Startvorgange“ beschrieben.

Ausgewählte Übungsaufgaben zu den einzelnen Kapiteln

In diesem Abschnitt wird zu den Kap. 3 bis 12 zunachst fur jeweils eine typische Ubungsaufgabe die ausfuhrliche Losung nach dem beschriebenen SMART-EVE-Konzept vorgestellt.

Ideale Gas- und Gas-Dampf-Gemische

In Abschn. 3.3 war das Ideale Gas als ein Modellgas eingefuhrt worden, dem sich reale Gase bzgl. ihres Verhaltens immer mehr annahern, je groser ihr spezifisches Volumen wird. Der (physikalische) Grund fur den Ubergang zum idealen Gasverhalten ist die fur steigenden Molekulabstand (\(v\rightarrow\infty\)) standig abnehmende Bedeutung von molekularen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Gasmolekulen.

Thermodynamische Zustandsgleichungen reiner Stoffe

Fur die Auslegung technischer Systeme sind aus thermodynamischer Sicht zwei Aspekte von Bedeutung: allgemeine (zunachst stoffunabhangige) Bilanzen, wie diejenigen der Masse, Energie (1. Hauptsatz) und Entropie (2. Hauptsatz) stoffspezifisches Verhalten der beteiligten Fluide Das stoffspezifische Verhalten wird durch die thermodynamischen Zustandsgleichungen beschrieben, die zuvor zwar in ihrer allgemeinen Form eingefuhrt worden sind, bisher aber noch nicht genauer erlautert wurden.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

Der sog. 2. Hauptsatz der Thermodynamik (engl: second law of thermodynamics) ist die Grundlage fur die Bewertung der verschiedenen Formen, in denen Energien auftreten konnen (Energieformen). Zusatzlich erlaubt er, die physikalischen (nicht technischen) Begrenzungen, die in Bezug auf ihre Umwandelbarkeit bestehen, aufzuzeigen. So kann z. B. mechanische Energie ohne eine prinzipielle Begrenzung in innere Energie umgewandelt werden, andererseits gibt es aber bestimmte Beschrankungen bzgl. der Umwandelbarkeit von innerer in mechanische Energie. Deshalb wird die mechanische Energie im Vergleich zur inneren Energie als „hoherwertig“ angesehen. Um dies im konkreten Fall auch quantitativ ausdrucken zu konnen, mussen neue thermodynamische Grosen eingefuhrt werden, die letztlich alle auf eine fundamentale Zustandsgrose zuruckzufuhren sind: die Entropie. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik bilanziert diese Grose bzgl. offener und geschlossener Kontrollraume.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik

Der sog. 1. Hauptsatz der Thermodynamik (engl.: first law of thermodynamics) befasst sich mit der Energie, die Stoffen zugeschrieben werden kann, und bilanziert diese bezuglich sogenannter Kontrollraume. Die Stoffe in einem solchen Kontrollraum stellen ein thermodynamisches System dar, das unter verschiedenen Gesichtspunkten bezuglich seines Zustandes sowie moglicher Veranderungen dieses Zustandes beschrieben werden kann. Ein solcher Gesichtspunkt ist die Frage nach der Energie im System bzw. die Frage danach, wann, wie und durch welche Prozesse diese Energie verandert werden kann.

Einführende Vorbemerkungen/Beispiele

Bevor ab Kap. 3 thermodynamische Sachverhalte im Detail behandelt werden, soll zunachst das Fachgebiet der Thermodynamik charakterisiert und eingeordnet werden. Neben der schlichten Frage „Was ist Thermodynamik?“ geht es auch darum, wo dieses Gebiet im Verhaltnis zu anderen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachern anzusiedeln ist und ob (und wenn ja, warum) Thermodynamik „ein schwieriges Fach ist“. Die nachfolgenden Ausfuhrungen nutzen zunachst die im Alltag gebrauchlichen Bedeutungen von Begriffen (wie System, Prozess, …), bevor diese an spaterer Stelle als thermodynamische Begriffe eingefuhrt und dann genau definiert werden.