Technische Thermodynamik 1: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Ideales Gasgesetz

Ideales Gasgesetz: pV = nRT
Gaskonstante: R = 8,314 J/(mol·K)
Allgemeine Gasgleichung: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Stoffmenge: n = m/M
Temperatur: T[K] = T[°C] + 273,15

Energiebilanz

Fühlbare Wärme: Q = ṁ·c_p·ΔT
Latente Wärme: Q = ṁ·h_fg
Mischen: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Wasser: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen

Wirkungsgrad: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Carnot-Wirkungsgrad: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
Leistungszahl der Kältemaschine: COP_R = Q_C/W
Leistungszahl der Wärmepumpe: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Energiebilanz: Q_H = W + Q_C

Gaskreisprozesse

Isentrop, Volumenverhältnis: T₂/T₁ = r^k−1
Isentrop, Druckverhältnis: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Otto-Wirkungsgrad: η = 1 − 1/r^k−1
Diesel-Wirkungsgrad: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Joule-Wirkungsgrad (Brayton): η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Zugeführte Wärme: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Joule (Brayton): c_p(T₃ − T₂)
Nutzarbeit des Joule-Prozesses: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Isentrope Wirkungsgrade: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Kaltluft-Standard: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Übungsaufgaben

1.Ideales GasgesetzMittel

Ein Behälter mit 30 L enthält 230 g O₂ bei 0 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 230 gM = 32 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Ideales GasgesetzSchwer

Eine feste Menge CO₂ geht von 150 kPa, 2 L, 30 °C über zu 700 kPa und 70 °C. Bestimme das neue Volumen V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 2 LT₁ = 30 °CP₂ = 700 kPaT₂ = 70 °C

V₂ = L

3.EnergiebilanzMittel

Heißes Ethanol kühlt Wasser in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager ohne Wärmeverlust. Bestimme die Austrittstemperatur des Wassers t_out.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 150 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.EnergiebilanzSchwer

Heißes Glykolgemisch erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 10 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁ_c.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Ct: 20 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Wärmekraftmaschinen und KältemaschinenMittel

Eine reversible Kältemaschine hält einen Kühlraum auf 0 °C, indem sie 4 kW Wärme entzieht, und gibt Wärme an die Umgebung mit 25 °C ab. Bestimme den Wärmestrom Q̇_H, den sie abgibt.

T_L = 0 °CT_H = 25 °CQ̇_L = 4 kW

Q̇_H = kW

6.Wärmekraftmaschinen und KältemaschinenSchwer

Eine Wärmekraftmaschine nimmt pro Zyklus 4300 kJ Wärme aus einem Reservoir mit 700 °C auf, verrichtet 1462 kJ Arbeit und gibt den Rest an ein Reservoir mit 30 °C ab. Bestimme die gesamte erzeugte Entropie S_gen pro Zyklus.

T_H = 700 °CT_L = 30 °CQ_H = 4300 kJW = 1462 kJ

S_gen = kJ/K

7.GaskreisprozesseMittel

Ein idealer Diesel-Prozess hat ein Verdichtungsverhältnis r = 15 und ein Einspritzverhältnis r_c = v₃/v₂ = 1,5. Verwende die Annahmen des Kaltluft-Standards: Luft ist ein ideales Gas mit konstanten spezifischen Wärmekapazitäten, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) und c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Bestimme seinen thermischen Wirkungsgrad η in Prozent.

r = 15r_c = 1,5k = 1,4

η = %

8.GaskreisprozesseSchwer

Eine Gasturbinenanlage arbeitet nach einem Joule-Prozess (Brayton) mit einem Verdichterdruckverhältnis von 20. Die Luft tritt mit 288 K in den Verdichter und mit 1300 K in die Turbine ein. Beide Maschinen arbeiten isentrop. Verwende die Annahmen des Kaltluft-Standards: Luft ist ein ideales Gas mit konstanten spezifischen Wärmekapazitäten, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) und c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Bestimme die Nutzarbeit w_net pro Kilogramm Luft in kJ/kg.

r_p = 20T₁ = 288 KT₃ = 1300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Lösungen

1.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 544,1 kPa

Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.

Stoffmenge

n = m/M = 230/32 = 7,188 mol

T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Druck

P = nRT/V = 7,188·8,314·273,1/0,03 = 544,1 kPa

Antwort

P = 544,1 kPa

2.Ideales Gasgesetz

Antwort: V₂ = 0,4851 L

Allgemeine Gasgleichung: Für eine feste Menge eines idealen Gases gilt P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Absolute Temperaturen

T₁ = 303,1 K, T₂ = 343,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(150/700)·(343,1/303,1) = 0,4851 L

Antwort

V₂ = 0,4851 L

3.Energiebilanz

Antwort: t_out = 36,67 °C

Energiebilanz des Wärmeübertragers: Ohne Verluste gilt ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 2·2,44·(180 − 150) = 146,4 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 146,4/(3·4,18) = 36,67 °C

Antwort

t_out = 36,67 °C

4.Energiebilanz

Antwort: ṁ_c = 3,488 kg/s

Energiebilanz mit Verlusten: abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme + Wärmeverlust.

Abgegebene Wärme

Q_h = 3·3,6·(120 − 60) = 648 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Q_c = (1 − 0,1)·648 = 583,2 kW

Wasserstrom

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 583,2/(4,18·40) = 3,488 kg/s

Antwort

ṁ_c = 3,488 kg/s

5.Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen

Antwort: Q̇_H = 4,366 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

Absolute Temperaturen

T_H = 25 + 273,15 = 298,1 K

T_L = 0 + 273,15 = 273,1 K

Wärmeverhältnis im reversiblen Fall

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 4·298,1/273,1 = 4,366 kW

Antwort

Q̇_H = 4,366 kW

Aufgenommene Leistung: Ẇ = 0,3661 kW.

6.Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen

Antwort: S_gen = 4,943 kJ/K

Entropieerzeugung: Über einen vollen Zyklus hat das Arbeitsmedium keine Netto-Entropieänderung. Das heiße Reservoir verliert Q_H/T_H, das kalte Reservoir gewinnt Q_L/T_L. Ihre Summe ist die erzeugte Entropie; sie ist null für einen reversiblen Kreisprozess und positiv für jeden realen.

Abgegebene Wärme

Q_L = Q_H − W = 4300 − 1462 = 2838 kJ

Absolute Temperaturen

T_H = 700 + 273,15 = 973,1 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Entropieänderungen der Reservoire

ΔS_H = −4300/973,1 = −4,419 kJ/K

ΔS_L = 2838/303,1 = 9,362 kJ/K

S_gen = 9,362 − 4,419 = 4,943 kJ/K

Antwort

S_gen = 4,943 kJ/K

S_gen > 0, die Maschine ist also möglich, aber irreversibel.

7.Gaskreisprozesse

Antwort: η = 63,05 %

Diesel-Prozess (Dieselmotor): 1→2 isentrope Verdichtung, 2→3 Wärmezufuhr bei konstantem Druck, 3→4 isentrope Expansion, 4→1 Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen. Mit dem Verdichtungsverhältnis r = v₁/v₂ und dem Einspritzverhältnis r_c = v₃/v₂ gilt: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) und η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Einspritzterm

(1,5^1,4 − 1)/(1,4·(1,5 − 1)) = 1,092

Thermischer Wirkungsgrad

η = 1 − 0,3385·1,092 = 63,05%

Antwort

η = 63,05%

8.Gaskreisprozesse

Antwort: w_net = 359,6 kJ/kg

Joule-Prozess (Brayton-Prozess, Gasturbine): 1→2 isentrope Verdichtung, 2→3 Wärmezufuhr bei konstantem Druck, 3→4 isentrope Expansion in der Turbine, 4→1 Wärmeabfuhr bei konstantem Druck. Mit dem Druckverhältnis r_p = P₂/P₁ gilt: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k und η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Nutzarbeit w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Mit isentropen Wirkungsgraden braucht der Verdichter w_s/η_c, und die Turbine liefert η_t·w_s.

Isentrope Temperaturen

T₂ = 288·20^0,2857 = 677,8 K

T₄ = 1300/20^0,2857 = 552,4 K

Verdichter- und Turbinenarbeit

w_c = 1,005·(677,8 − 288) = 391,8 kJ/kg

w_t = 1,005·(1300 − 552,4) = 751,4 kJ/kg

Nutzarbeit

w_net = 751,4 − 391,8 = 359,6 kJ/kg

Antwort

w_net = 359,6 kJ/kg

Rückarbeitsverhältnis: w_c/w_t = 52,14%.

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