Thermodynamik für Maschinen- und Fahrzeugbau -- Grundlagen, Anwendungen, Übungen, Prozesssimulationen

Vorwort......Page 5
Inhaltsverzeichnis......Page 7
Liste der Formelzeichen......Page 13
1.1 Gegenstand und Untersuchungsmethodik......Page 20
1.2 Thermodynamisches System......Page 23
1.3 Austausch zwischen System und Umgebung......Page 25
1.4 Thermische Zustandsgrößen; Thermische Zustandsgleichungen......Page 28
1.5 Thermodynamische Zustandsänderungen......Page 33
1.6 Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen......Page 36
1.7 Reversible und irreversible Zustandsänderungen......Page 38
1.8.1 Volumenänderungsarbeit......Page 40
1.8.2 Druckänderungsarbeit......Page 48
1.8.3 Wärme......Page 54
Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen......Page 57
Reversible und irreversible Zustandsänderungen......Page 64
Volumenänderungs- und Druckänderungsarbeit......Page 70
Fragen zu Kapitel 1......Page 82
Aufgaben zu Kapitel 1......Page 83
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 1......Page 85
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 1......Page 87
Literatur zu Kapitel 1......Page 92
2.1 Einführung; Erläuterung......Page 94
2.2 Energiebilanz für Zustandsänderungen in geschlossenen Systemen; Innere Energie......Page 97
2.2.1 Innere Energie......Page 99
2.3 Energiebilanz für Zustandsänderungen in offenen Systemen (stationäre Prozesse); Enthalpie......Page 103
2.3.1 Enthalpie......Page 106
2.3.2 Gegenüberstellung der inneren Energie und der Enthalpie......Page 109
2.4 Energiebilanz auf Basis der Enthalpie für Zustandsänderungen in geschlossenen und in offenen Systemen......Page 110
2.5.1 Elementare Prozesse in geschlossenen Systemen......Page 112
2.5.2. Elementare Prozesse in offenen Systemen......Page 115
Energiebilanz, Innere Energie, Enthalpie......Page 120
Fragen zu Kapitel 2......Page 130
Aufgaben zu Kapitel 2......Page 131
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 2......Page 132
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 2......Page 134
Literatur zu Kapitel 2......Page 137
3.1.1 Thermische Zustandsgleichung für ideale Gase......Page 139
3.1.2 Universelle (allgemeine; molare) Gaskonstante......Page 142
3.1.3 Molar-spezifische Größen......Page 144
3.1.4 Normkubikmeter......Page 145
3.1.5 Reale Gase......Page 146
3.2.1 Gesetz der inneren Energie bei idealen Gasen (Joule)......Page 148
3.2.2 Formen der spezifischen Wärmekapazität......Page 149
3.2.3 Zusammenhang der spezifischen Wärmekapazität bei konstanten Volumen und bei konstanten Druck......Page 154
3.3 Das ideale Gasgemisch......Page 157
3.3.1 Die Gaskonstante eines Gasgemisches......Page 158
3.3.2 Molare Masse, Dichte, Zusammenhänge der Massen- und Volumenanteile......Page 161
3.3.3 Innere Energie, Enthalpie und spezifische Wärmekapazität eines Gasgemisches......Page 164
3.4.1 Isochore Zustandsänderung (V = konst.)......Page 167
3.4.2 Isobare Zustandsänderung (p = konst.)......Page 171
3.4.3 Isotherme Zustandsänderung (T = konst.)......Page 175
3.4.4 Adiabate Zustandsänderung ( pVk = konst.)......Page 178
3.4.5. Polytrope Zustandsänderung (pVn = konst.)......Page 184
Zustandsänderungen in Gasen und Gasgemischen......Page 191
Fragen zu Kapitel 3......Page 219
Aufgaben zu Kapitel 3......Page 220
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 3......Page 222
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 3......Page 225
Literatur zu Kapitel 3......Page 233
4.1 Formulierungen......Page 235
4.2 Thermischer Wirkungsgrad......Page 238
4.3 Entropie reversibler (idealer) Prozesse......Page 240
4.4 Entropie irreversibler (natürlicher) Prozesse......Page 250
4.5 Berechnung der Entropie......Page 255
4.6.1 T,s-Diagramme (Wärmediagramme)......Page 258
4.6.2.1 Isochore (Bild 4.10):......Page 262
4.6.2.2 Isobare (Bild 4.11):......Page 263
4.6.2.3 Isotherme (Bild 4.12):......Page 264
4.6.2.4 Isentrope (Bild 4.13):......Page 265
4.6.2.5 Polytrope (Bild 4.14):......Page 266
4.6.3 u,s- und h,s-Diagramme......Page 267
4.7 Exergie und Anergie......Page 269
Berechnung der Entropie in thermodynamischen Vorgängen......Page 271
Fragen zu Kapitel 4......Page 282
Aufgaben zu Kapitel 4......Page 283
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 4......Page 284
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 4......Page 287
Literatur zu Kapitel 4......Page 289
5.1.1 Rechtslaufende Kreisprozesse......Page 291
5.1.2 Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit sukzessiven Zustandsänderungen......Page 293
5.1.3 Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit simultanen Zustandsänderungen......Page 310
5.2.1 Linkslaufende Kreisprozesse......Page 317
5.2.2 Kreisprozesse in Kältemaschinen......Page 319
5.2.3 Kreisprozesse in Wärmepumpen (Heizanlagen)......Page 326
Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen......Page 328
Fragen zu Kapitel 5......Page 358
Aufgaben zu Kapitel 5......Page 360
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 5......Page 363
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 5......Page 370
Literatur zu Kapitel 5......Page 385
6.1 Phasen und Komponenten eines Dampfes......Page 387
6.2 Diagrammdarstellungen der Zustands- und energetischen Größen eines Dampfes......Page 391
6.3.1 Rechtslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Kraftanlagen......Page 400
6.3.2 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Klimaanlagen......Page 402
6.3.3 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Wärmepumpenanlagen......Page 404
6.3.4 Drosselung von Nassdampf......Page 405
6.4.1 Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische......Page 407
6.4.2 Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische in Diagrammform......Page 416
6.4.3 Zustandsänderungen der feuchten Luft in der Technik......Page 419
Dampf und Gas-Dampf-Gemische......Page 430
Fragen zu Kapitel 6......Page 441
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 6......Page 442
Literatur zu Kapitel 6......Page 446
7.1 Kraftstoffe......Page 448
7.2 Kraftstoff-Luft-Gemische......Page 455
7.3 Heizwerte......Page 457
7.4.1 Verfahren zur Verbrennungsrechnung......Page 466
7.4.2 Stöchiometrischer Luftbedarf......Page 469
7.4.3 Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei vollständiger Verbrennung......Page 471
7.4.4 Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei unvollständiger Verbrennung......Page 475
7.5 Ablauf der Verbrennungsreaktionen......Page 481
7.6 Verbrennungsformen in Otto- und Dieselmotoren......Page 490
Verbrennung......Page 501
Fragen zu Kapitel 7......Page 512
Aufgaben zu Kapitel 7......Page 513
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 7......Page 515
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 7......Page 522
Literatur zu Kapitel 7......Page 536
8.1 Arten der Wärmeübertragung......Page 539
8.2.1 Elementares Modell der Wärmeleitung......Page 542
8.2.2 Wärmeleitung durch eine ebene Wand......Page 545
8.2.3 Wärmeleitung durch Rohrwände......Page 548
8.3.1 Elementare Modelle der Konvektion......Page 551
8.3.2 Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie im Bezug auf die Konvektion......Page 557
8.3.3 Wärmetauscher......Page 564
8.4.1 Elementare Modelle der Wärmestrahlung......Page 566
8.4.2 Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen Körperoberflächen......Page 575
Wärmeleitung......Page 577
Konvektion......Page 581
Strahlung......Page 586
Fragen zu Kapitel 8......Page 589
Aufgaben zu Kapitel 8......Page 590
Lösungen zu den Fragen von Kapitel 8......Page 591
Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 8......Page 595
Literatur zu Kapitel 8......Page 598
9.1.1 Arbeitsmedium......Page 600
9.1.2 Verhalten des Arbeitsmediums in thermodynamischen Prozessen......Page 602
9.2.1 Druckmessung......Page 603
9.2.2 Temperaturmessung......Page 607
9.2.3 Feuchtemessung......Page 610
9.2.4 Wegmessung......Page 611
9.3 Ermittlung von Zustandsänderungen......Page 613
Literatur zu Kapitel 9......Page 616
10.1 Einführung......Page 618
10.2 Ablauf der Modellierung mittels numerischer Simulation......Page 626
10.2.1 Modularisierung des physikalischen Systems......Page 627
10.2.2 Mathematische Formulierung......Page 630
10.2.3 Diskretisierung......Page 632
10.3.1 Luftströmung am Einlass des Zylinders......Page 635
10.3.2 Einfluss konstruktiver Parameter auf Massenströme in und aus einem Motorzylinder......Page 641
10.3.3 Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum eines Kolbenmotors und Bildung eines Kraftstoff- Luftgemisches......Page 643
10.3.4 Verbrennung eines Kraftstoff- Luft- Gemisches im Brennraum eines Kolbenmotors......Page 651
10.3.5 Simulation eines gesamten Motorprozesses, von Ladungswechsel, Kraftstoffdirekteinspritzung und Gemischbildung bis zur Verbrennung, mittels gekoppelter ein- und dreidimensionalen Programme......Page 654
10.3.6 Simulation eines Kühlmittelkreislaufes im Kraftfahrzeug......Page 662
Literatur zu Kapitel 10......Page 670
11.1 Einführung......Page 673
11.2 Kohlendioxidfressende Otto- und Dieselmotoren......Page 674
11.3 Wärme, Strom und Kraftstoff aus Müll......Page 678
11.4 Wärme, Strom und Kraftstoff aus Biogas......Page 681
11.5 Wärmepumpen mit Abwasser und wirkungsgradmaximierte Verbrennungsmotoren......Page 687
11.6 Mensch und Motor: Energieverbrauch und Kohlendioxidemission im Vergleich......Page 693
Literatur zu Kapitel 11......Page 701
Verzeichnis angeführter Thermodynamiker......Page 703
Sachwortverzeichnis......Page 707