Thermodynamik für Maschinenbauer

Frank-Michael Barth

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2016
• ISBN drucken:
  9783110413342
• eBook-ISBN:
  9783110414929
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Thermodynamics

Dieses Lehrbuch wurde im engen Dialog mit Studierenden entwickelt, um den Einstieg in eines der wichtigsten und auch schwersten Fächer der Ingenieurwissenschaften, die Thermodynamik, unterstützend zu begleiten. Aufgrund seiner langjährigen Erfahrung als Dozent und als Senior Project Manager in der Industrie gelingt es dem Autor, die thermodynamische Begriffswelt besonders anschaulich zu vermitteln und Idealisierungen von Systemen zur vereinfachten Berechnung realer Prozesse zu erläutern. Der Leser erhält ein grundlegendes Verständnis für thermodynamische Vorgänge in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern. Er lernt, wärmetechnische Problemstellungen theoretisch zu erfassen, in der Wirkungsweise zu analysieren und Lösungen praxisnah zu erarbeiten. Praktische Anwendungsbeispiele und Aufgaben mit methodischen Lösungen tragen zum tieferen Verständnis des Lehrstoffes bei.

Aus dm Vorwort zur 1. Auflage

Alles Leben ist Problemlösen.

Sir Karl R. Popper (1902 - 1994)

Vorliegendes Lehrbuch soll eine Hilfe sein für die Studierenden des Bachelor-Studienganges Ingenieurwesen mit der Fachrichtung Maschinenbau für die Einarbeitung in eines der wichtigsten aber auch nicht ganz leichten Fachmodule der Ingenieurwissenschaften, der Thermodynamik (Energielehre) und Wärmelehre (Transport der thermischen Energie). Aber auch zur Auffrischung von Kenntnissen sowie zur Vorbereitung auf Klausuren und Prüfungen sollte dieses Buch mit vielen Beispiel-Aufgaben dienlich sein.

Dieses Buch ist entstanden aus Vorlesungen des Verfassers an verschiedenen Technischen Universitäten, Hochschulen und Fachhochschulen. Auf Grund der großen Furcht vor diesem Fach sogar bei den Studierenden der früheren Diplom-Studiengänge wurde nach Methoden gesucht, die geeignet erscheinen, den Stoff einfach und verständlich wie möglich darzustellen.

Nach Einführung der Bachelor-Studiengänge konnte für diese Zielgruppe gegenüber den Diplom-Studiengängen auf Grund geringerer Präsenzzeiten für Vorlesungen und Übungen natürlich keine bloße Verdichtung der traditionellen Lehrinhalte vorgenommen werden. Vielmehr mussten die Inhalte der Vorlesung nach Wichtigkeit für die Fragen unserer Zeit und Probleme der Zukunft insbesondere hinsichtlich Energie und Umwelt völlig neu geordnet werden. Ausgewählte praktische und lebensnahe Anwendungsbeispiele sollen nicht nur das Verstehen der Vorlesungsinhalte erleichtern, sondern auch eine immer wieder gleichartige Methode der Lösungsfindung aufzeigen, mit der auch beliebige andere Aufgaben im Ingenieurleben erfolgreiche bearbeitet werden können.

Entstanden ist schließlich ein Vorlesungsskriptum für die Vermittlung der Grundlagen der Thermodynamik, wie sie im ingenieurwissenschaftlichen Fachmodul der Bachelor-Ausbildung mit nur etwa 100 Präsenzstunden behandelt werden. Zugute kam mir bei der Auswahl der Übungs- und Musteraufgaben für das Vorlesungsskriptum meine über zwanzigjährige weltweite Praxistätigkeit in Planung, Errichtung und Betrieb energietechnischer Anlagen als Senior Project Manager und Director of Competence Center des Pharma- und Chemiekonzerns Bayer AG.

Der dargebotene Stoff ist auf das aus meiner Praxistätigkeit bekannte Wesentliche reduziert. Wert wird hier auf eine klare, kurze und verständliche Darstellung gelegt. Eine hinreichende Anzahl praxisrelevanter Rechenaufgaben mit ausführlicher Erklärung der Lösungen soll nicht nur dem Studierenden helfen, die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen bzw. Sicherheit in ihrer Anwendung zu erlangen, sondern als Nachschlagewerk auch den Jungingenieur zum energiewirtschaftlichen Denken und Handeln befähigen.

Dass dieses Buch zustande kam, ist letztendlich der Anregung der kritischen und kompetenten Leserschaft meiner Skripte, den Studierenden des Erststudienganges Ingenieurwesen 2008 der BA Hessische Berufsakademie (University of Cooperative Education) c/o FOM Hochschule für Ökonomie & Management (University of Applied Sciences) zu verdanken. Aus dem Feedback war zu erkennen, dass sich die Studierenden intensiv mit der Materie auseinander setzten und das eine oder andere Detail entsprechend genau wissen wollten.

Dank gebührt den studentischen Hilfskräften dieses Studienganges, insbesondere Herrn Karsten Kolberg, B.ENG., der mit großem Fleiß die meisten Formeln drucktechnisch aufbereitet hat.

Dem Oldenbourg Verlag möchte ich für die äußerst angenehme und konstruktive Zusammenarbeit danken.

Frank-Michael Barth

Leverkusen, März 2012

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 2. Auflage

Aus dem Vorwort zur 1. Auflage

Häufig verwendete Formelzeichen

1Einleitung

2Grundbegriffe

2.1System, Systemgrenze, Umgebung, Bezugssystem

2.2Thermodynamischer Zustand

2.3Erstes Gleichgewichtspostulat der Thermodynamik

2.4Innere Zustandsgrößen

2.4.1Spezifisches und molares Volumen

2.4.2Druck und Temperatur

2.5Zweites Gleichgewichtspostulat der Thermodynamik

2.5.1Thermisches Gleichgewicht

2.5.2Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

2.5.3Temperaturskale - SI-Definition der Temperatur

2.6Äußere Zustandsgrößen

2.7Prozess und quasistatische Zustandsänderung

2.8Reversible und irreversible Prozesse

2.9Thermische Zustandsgleichung

2.9.1Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases

2.9.2Gesetz von Boyle-Mariotte

2.9.3Gesetze von Gay-Lussac

2.9.4Normzustand

3Methoden der Thermodynamik

3.1Bilanzgleichungen und Transportgleichungen

3.2Anfangs-, Rand- und Nebenbedingungen

3.3Schreibweise der mathematischen Beziehungen in der Thermodynamik

3.3.1Die differenziellen Größen dz und 𝞉z in der Thermodynamik - Zustandsgrößen

3.3.2Die differenzielle Größe δz in der Thermodynamik - Prozessgrößen

4Erster Hauptsatz der Thermodynamik

4.1Grundgesetze

4.2Erster Hauptsatz - Energieerhaltungssatz

4.2.1Wärme und Arbeit

4.2.2Druckarbeit (Volumenänderungsarbeit)

4.2.3Reibungsarbeit

4.2.4Gesamtenergie, innere Energie und Bezugssystem

4.2.5Thermische und kalorische Zustandsgrößen

4.2.6Erster Hauptsatz für ruhende, geschlossene, homogene Systeme

4.2.7Erster Hauptsatz für ruhende, offene, inhomogene Systeme

4.2.8Erster Hauptsatz für bewegte, geschlossene Systeme

4.2.9Er...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort zur 2. Auflage
• Aus dm Vorwort zur 1. Auflage
• Inhaltsverzeichnis
• Häufig verwendete Formelzeichen
• 1 Einleitung
• 2 Grundbegriffe
• 3 Methoden der Thermodynamik
• 4 Erster Hauptsatz der Thermodynamik
• 5 Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase
• 6 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
• 7 Anwendung des ersten Hauptsatzes auf Kreisprozesse
• 8 Anwendung des zweiten Hauptsatzes auf Energieumwandlungen
• 9 Wärmeübertragung und Wärmedämmung
• Literatur
• Index