Overview

Geschrieben für 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 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 in der Physik und der Chemie, der Werkstoffkunde, der Wärmeübertragung, der Gasdynamik usw. Die Neuauflage enthält zahlreiche Verbesserungen, behält aber das bewährte pädagogische Gesamtkonzept bei.

Full Product Details

Author:   Ingo Müller ,  Ingo M Ller
Publisher:   Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. KG
Imprint:   Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K
Edition:   3. Aufl. 2001
Dimensions:   Width: 15.50cm , Height: 2.50cm , Length: 23.50cm
Weight:   0.741kg
ISBN:  

9783540422105

ISBN 10:   3540422102
Pages:   464
Publication Date:   24 September 2001
Audience:   Professional and scholarly ,  Professional & Vocational
Format:   Paperback
Publisher's Status:   Active
Availability:   Out of stock  
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Language:   German

Table of Contents

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 Erhaltungssatze der Thermodynamik.- 1.2.2 Bilanzen fur abgeschlossene und offene Systeme.- 1.2.3 Lokale Bilanz in regularen Punkten.- 1.3 Massenbilanz.- 1.3.1 Integrale und lokale Massenbilanzen.- 1.3.2 Beispiel zur Massenbilanz: Dusenstroemung.- 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 Flussigkeit.- 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: Dusenstroemung.- 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: Dusenstroemung.- 1.5.5 Beispiel II zum Energiesatz: Adiabate Drosselung.- 1.5.6 Beispiel III zum Energiesatz: Verdampfung.- 1.5.7 Beispiel IV zum Energiesatz: Foen.- 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 fur abgeschlossene Systeme.- 1.7 Erster Hauptsatz fur 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 Flussigkeiten, Dampfen und Gasen.- 2.1.1Notwendigkeit von Materialgleichungen.- 2.1.2Materialgleichungen fur warmeleitende Flussigkeiten, Dampfe und Gase mit innerer Reibung.- 2.2 Bestimmung von Viskositat und Warmeleitfahigkeit.- 2.2.1 Scherstroemung zwischen zwei Platten. Newton'sches Reibungsgesetz.- 2.2.2 Warmeleitung 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 fallt 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 Foens.- 2.3.9Beispiel IV zum idealen Gas: Dusenstroemung.- 2.3.10 Beispiel V zum idealen Gas: Barometrische Hoehenstufe.- 2.3.11 Beispiel VI zum idealen Gas: Adiabatische Zustandsgieichung .- 2.3.12 Beispiel VII zum idealen Gas: Kaminstroemung.- 2.3.13 Beispiel VIII zum idealen Gas: Aufwindkraftwerk.- 2.4 Zustandsgieichungen von Flussigkeiten und Dampfen (ohne Phasenubergang).- 2.4.1 Die Notwendigkeit von Messungen.- 2.4.2Thermische Zustandsgieichung.- 2.4.3Kalorische Zustandsgieichung.- 2.4.4Zustandsgieichungen von flussigem Wasser.- 2.5 Zustandsdiagramme fur Flussigkeiten und Dampfe (mit Phasenubergang).- 2.5.1 Das Phanomen des Phasenubergangs flussig - dampffoermig .- 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.- 2.5.6Verdampfungswarme 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 Verflussigung von Dampfen und zur Erstarrung von Flussigkeiten.- 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 Warme bei speziellen reversiblen Problemen.- 3.2.1Arbeit und Warme im reversiblen Prozess allgemein.- 3.2.2Arbeit und Warme in irreversiblen Isoprozessen und im adiabaten Prozess fur ideale Gase.- 3.3 Kreisprozesse.- 3.3.1 Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Warme 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 Integrabilitatsbedingung.- 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 Integrabilitatsbedingung.- 4.2.4 Phasengleichgewicht. Gleichungen von Clausius-Clapeyron.- 4.2.5 Phasengleichgewicht im Van-der Waals-Gas.- 4.2.6Temperaturanderungen bei adiabater Drosselung. Beispiel: Van-der-Waals-Gas.- 4.2.7 Thermodynamische Stabilitatskriterien.- 4.2.8 Stabilitatsbedingungen.- 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 Polymermolekuls.- 4.4.3 Entropie als ein Mass fur 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 Integrabilitatsbedingungen fur Flussigkeiten und Festkoerper.- 4.5.2Beispiele fur entropische Elastizitat.- 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 Phasenubergange.- 4.6 Historisches zur statistischen Interpretation der Entropie.- 5 Dampfmaschine und Kaltemaschinen.- 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 Erhoehung des Wirkungsgrades.- 5.3 Kaltemaschine und Warmepumpe.- 5.3.1 Prinzip einer Kompressionskaltemaschine.- 5.3.2Beispiel: Berechnung einer Kompressionskaltemaschine.- 5.3.3 Warmepumpe. Ein Beispiel.- 6 Warmeubertragung.- 6.1 Instationare Warmeleitung.- 6.1.1Warmeleitungsgleichung.- 6.1.2Trennung der Variablen.- 6.1.3Beispiel I: Warmeleitung in einem adiabaten Stab der Lange L.- 6.1.4Beispiel II: Warmeleitung in einem unendlich langen Stab.- 6.1.5Beispiel III: Temperaturmaximum in der Nahe eines Warmepols.- 6.1.6Beispiel IV: Warmewellen im Erdboden.- 6.1.7Historisches zur Warmeleitung.- 6.2 Warmetauscher.- 6.2.1Warmeubergangszahlen und Warmedurchgangszahl.- 6.2.2Temperaturgleichungen in Stroemungsrichtung.- 6.2.3Temperaturverlaufe.- 6.3 Warmestrahlung.- 6.3.1Spektrales Emissionsverhaltnis und spektrale Absorptionszahl.- 6.3.2Gemitteltes Emissionsverhaltnis 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 Warmestrahlung.- 6.4 Nutzung der Sonnenenergie.- 6.4.1Verfugbarkeit 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, Loesungen und Legierungen.- 7.1.2Das chemische Potential.- 7.1.3Acht nutzliche Eigenschaften des chemischen Potentials.- 7.1.4Die Messbarkeit des chemischen Potentials.- 7.2 Vermischungsgroessen Chemisches Potential idealer Mischungen.- 7.2.1Vermischungsgroessen allgemein.- 7.2.2Vermischungsgroessen bei idealen Gasen.- 7.2.3Ideale Mischungen.- 7.2.4Chemische Potentialfunktionen idealer Mischungen.- 7.3 Osmose.- 7.3.1 Osmotischer Druck in verdunnten Loesungen. Van't Hoff sches Gesetz.- 7.3.2Beispiel I zum osmotischen Druck Pfeffer'sche Saule.- 7.3.3Beispiel II zum osmotischen Druck: Meerwasserentsalzung.- 7.3.4 Beispiel III zum osmotischen Druck: Physiologische Kochsalzloesung.- 7.3.5 Eine energetische Interpretation der Osmose.- 7.4 Mischphasen.- 7.4.1Gibbs'sche Phasenregel.- 7.4.2Freiheitsgrade.- 7.5 Flussig-Dampf-Gleichgewichte (ideal).- 7.5.1Ideales Raoult'sches Gesetz.- 7.5.2Ideale Phasendiagramme binarer Mischungen.- 7.5.3Verdampfungsvorgang im Phasendiagramm.- 7.5.4Beispiel I zum Raoult'schen Gesetz: CO2 in Atmosphare und Meer.- 7.5.5Beispiel II zum Raoult'schen Gesetz: Mineralwasser.- 7.5.6Beispiel III zum Raoult'schen Gesetz: Dampfdruckerniedrigung und Siedepunktserhoehung.- 7.6 Weitere Beispiele zum Raoult'schen Gesetz.- 7.6.1Molmasse - das mol als Einheit.- 7.6.2Beispiel IV zum Raoult'schen Gesetz: Binare Mischung aus Propan und Butan.- 7.6.3 Destillation im Batch Verfahren.- 7.7 Flussig-Dampf-Gleichgewicht (Real).- 7.7.1Aktivitat und Fugazitat.- 7.7.2Reales Raoult'sches Gesetz.- 7.7.3Bestimmung der Aktivitatskoeffizienten.- 7.7.4Bestimmung der Fugazitatskoeffizienten.- 7.7.5Aktivitatskoeffizient bei Mischungswarme Konstruktion von Phasendiagrammen.- 7.8 Freie Enthalpie einer Phasenmischung.- 7.8.1Graphische Bestimmung der Gleichgewichtsbedingungen.- 7.8.2Phasendiagramm bei luckenloser Mischbarkeit.- 7.8.3Mischungslucke in der flussigen 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 Stoechiometrie und Massenwirkungsgesetz.- 8.1.1Stoechiometrie.- 8.1.2Beispiel zur Stoechiometrie: Atmungsquotient RQ.- 8.1.3Massenwirkungsgesetz.- 8.1.4Massen Wirkungsgesetz fur 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 stoechiometrischen Mischungen idealer Gase.- 8.2 Reaktionswarmen, Reaktionsentropie und absolute Entropiewerte.- 8.2.1Die additiven Konstanten in u und s.- 8.2.2Reaktionswarmen und Bindungsenergien.- 8.2.3Reaktionsentropien.- 8.2.4Prinzip vom kleinsten Zwang.- 8.3 Nernst'sches Warmetheorem. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.3.1Dritter Hauptsatz in der Nernst'schen Formulierung.- 8.3.2Beispiel zum3. Hauptsatz: Umwandlungswarme von Zinn.- 8.3.3Dritter Hauptsatz in der Planck'schen Formulierung.- 8.3.4Absolutwerte von Energie und Entropie.- 8.4 Energetische und entropische Beitrage 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 Druckanderungen.- 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 fur feuchte Luft.- 9.1.4Das (h1+x, x)-Diagramm.- 9.2 Einfache Prozesse in feuchter Luft.- 9.2.1Zufuhr von Wasser.- 9.2.2Erwarmung.- 9.2.3Mischen.- 9.2.4Mischung feuchter Luft mit Nebel.- 9.3 Verdampfungsgrenze und Kuhlgrenze.- 9.3.1Massenbilanz und Verdampfungsgrenze.- 9.3.2Energiebilanz und Kuhlgrenze.- 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. Abschatzung.- 9.6 Verdunstung.- 9.6.1Der Druck von gesattigtem Dampf bei Gegenwart von Luft.- 9.6.2Verdunstung.- 9.6.3Zwei Beispiele fur Verdunstung.- 10 Ausgesuchte Probleme der Thermodynamik.- 10.1 Tropfen und Blasen.- 10.1.1 Verfugbare freie Energie.- 10.1.2 Notwendige und hinreichende Gleichgewichtsbedingungen.- 10.1.3 Verfugbare freie Energie als Funkton des Radius'.- 10.1.4 Keimbildungsbarriere fur Tropfen.- 10.1.5 Keimbildungsbarriere fur Blasen.- 10.1.6 Bewertung.- 10.2 Nebel und Wolken. Tropfen in feuchter Luft.- 10.2.1 Problemstellung.- 10.2.2 Verfugbare freie Energie, Gleichgewichtsbedingungen.- 10.2.3 Wasserdampfdruck im Phasengleichgewicht.- 10.2.4 Die Form der verfugbaren freien Energie.- 10.2.5 Keimbildungsbarriere und Tropfenradius.- 10.3 Luftballons.- 10.3.1 Druck-Radius-Charakteristik.- 10.3.2 Stabilitat eines Ballons.- 10.3.3 Ein anschauliches Argument zur Stabilitat des Ballons.- 10.3.4 Gleichgewichte kommunizierender Ballons.- 10.4 Schall.- 10.4.1 Wellengleichung.- 10.4.2 Loesung der Wellengleichung. d'Alembert-Methode.- 10.4.3 Ebene harmonische Wellen.- 10.4.4 Ebene harmonische Schallwellen.- 10.5 Landau-Theorie der Phasenubergange.- 10.5.1 Freie Energie und Last als Funktion von Temperatur und Dehnung.- 10.5.2 Phasenubergang erster Ordnung.- 10.5.3 Phasenubergang zweiter Ordnung.- 10.5.4 Phasenubergange unter Last.- 10.5.5 Eine Bemerkung zur Klassifizierung von Phasenubergangen.- 10.6 Schwellen und Schrumpfen von Gelen.- 10.6.1 Phanomene.- 10.6.2 Freie Enthalpie.- 10.6.3 Schwellen und Schrumpfen als Funktion der Temperatur.- 10.7 Gedachtnislegierungen.- 10.7.1 Phanomene und Anwendungen.- 10.7.2 Ein Modell fur Gedachtnislegierungen.- 10.7.3 Entropische Stabilisierung.- 10.7.4 Pseudoelastizitat.- 10.7.5 Latente Warme.- 10.7.6 Simulation einer Gedachtnislegierung.- 11 Thermodynamik irreversibler Prozesse.- 11.1 Reinstoffe.- 11.1.1 Die Gesetze von Fourier und Navier-Stokes.- 11.1.2 Scherstroemung und Warmeleitung 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 Stationare Warmeleitung gekoppelt mit Diffusion und chemischer Reaktion.- Namen- und Sachverzeichnis.

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