Thermodynamik I und II

HSU

13. November 2017

Thermodynamik I (2 V + 1 Ü)

Die Thermodynamik ist eine allgemeine Energielehre, die als Grundlagenwissenschaft seit Jahrzehnten fester Bestandteil der Ingenieurausbildung an den Universitäten weltweit ist. Sie lehrt die verschiedenen Energieformen wie elektrische Energie, mechanische Energie, innere Energie usw. zu unterscheiden, zeigt deren Verknüpfung durch den 1. Hauptsatz (Energiebilanzgleichung) und klärt durch den 2. Hauptsatz die Bedingungen und Grenzen für die Umwandlung der verschiedenen Energieformen untereinander. Die Vorlesung ist eine Einführung der Studierenden in die Grundgedanken der technischen Thermodynamik. Nach der Erläuterung der Begriffe Zustand, Zustandsgrößen, Zustandsgleichungen sowie der Vorstellung des Bilanzdenkens mit der Massen- und Komponentenbilanz, der Energiebilanz (1. Hauptsatz) und der Entropiebilanz (2. Hauptsatz) werden einfache Kreisprozesse wie der einfache Dampfkreisprozess zur Umwandlung von Wärmeenergie in Arbeit behandelt.

Die Inhalte der Vorlesung untergliedert sich in die Kapitel:

Thermodynamik I

1. Was ist Thermodynamik?
2. System und Zustand
3. Temperatur
4. Die thermische Zustandsgleichung der Fluide
5. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik
6. Arbeit und Leistung
7. Wärme und Wärmestrom
8. Kalorische Zustandsgleichungen
9. Das Nassdampfgebiet
10. Massenbilanz und Energiebilanz für einen Kontrollraum
11. Stationäre Fließprozesse
12. Instationäre Prozesse eines offenen Systems
13. Reversible und irreversible Prozesse. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
14. Entropie und thermodynamische Temperatur
15. Anwendungen der Entropiebilanzgleichung
16. Die Wärmekraftmaschine
17. Entropie reiner Stoffe

Thermodynamik II (2 V + 1 Ü)

Wiederholung Thermodynamik I

18. Temperatur des Gasthermometers und thermodynamische Temperatur. Entropie idealer Gase
19. Entropie und Enthalpie realer Gase
20. Das inkompressible Fluid
21. Das T,s-Diagramm und das h,s-Diagramm
22. Die Entropiebilanzgleichung für einen Kontrollraum
23. Technische Arbeit und Dissipationsenergie
24. Energieumwandlungen und die Hauptsätze der Thermodynamik
25. Berechnung von Exergien
26. Kälteerzeugung
27. Adiabate Strömungsprozesse
28. Adiabate Düsen und Diffusoren
29. Adiabate Turbine und adiabater Verdichter
30. Wärmeübertrager
31. Ideale Gasgemische
32. Feuchte Luft
33. Mengenberechnung bei Verbrennungsprozessen
34. Anwendung des 1. Hauptsatzes auf Verbrennungsprozesse
35. Die Umwandlung von Brennstoffenergie in technische Arbeit

Höhere Thermodynamik

HSU

13. November 2017

Höhere Thermodynamik, MB 08514, 4 LP, 2V + 1Ü

1. Einführung

2. Zustandsgleichungen

2.1 Maße für die Zusammensetzung von Gemischen
2.2 Die Fundamentalgleichung von Gemischen
2.3 Die Legendre-Transformation
2.4 Weitere Darstellungen der Fundamentalgleichung
2.5 Thermische Zustandsgleichungen
2.6 Die Berechnung thermodynamischer Eigenschaften aus thermischen Zustandsgleichungen und Fundamentalgleichungen

3. Phasengleichgewichte

3.1 Extremalprinzipien und thermodynamisches Gleichgewicht
3.2 Die Bedingungen für das Phasengleichgewicht
3.3 Die Gibbssche Phasenregel
3.4 Phasendiagramme

4. Phasengleichgewichtsberechnung

4.1 Mischungsgrößen und die Irreversibilität des Mischungsvorgangs
4.2 Partielle molare Zustandsgrößen
4.3 Das chemische Potenzial eines reinen idealen Gases
4.4 Das chemische Potenzial eines reinen realen Fluids
4.5 Das chemische Potenzial einer Komponente i in einem idealen Gasgemisch
4.6 Das chemische Potenzial einer Komponente i in einer idealen Lösung
4.7 Das Verdampfungsgleichgewicht zwischen einer idealen Lösung und einem idealen Gasgemisch

5. Reaktionsgleichgewichte

5.1 Chemische Reaktionen
5.2 Die Bedingung für das Reaktionsgleichgewicht
5.3 Reaktionsgleichgewicht für ein ideales Gasgemisch
5.4 Die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Reaktionsgleichgewichts
5.5 Standard-Bildungsenthalpie und Standardentropie
5.6 Heterogenes Reaktionsgleichgewicht mit reinen kondensierten Phasen

6. Kraftstoffherstellung

Phasen- und Reaktionsgleichgewichte

HSU

20. November 2017

Phasen- und Reaktionsgleichgewichte

1. Einführung und Wiederholung der Grundlagen

2. Klassifizierung von Phasendiagrammen

3. Phasengleichgewichtsberechnung mit dem Fugazitätskoezientenansatz

3.1 Der Fugazitätskoezientenansatz für das chemische Potenzial
3.2 Die Berechnung des Verdampfungsgleichgewichts mit Zustandsgleichungen
3.3 Gleichgewicht zwischen einem Gasgemisch und reinem Kondensat

4. Phasengleichgewichtsberechnung mit dem Aktivitätskoezientenansatz

4.1 Der Aktivitätskoezientenansatz für das chemische Potenzial
4.2 Die Eulersche Gleichung und die Gleichung von Gibbs-Duhem
4.3 Modelle für die freie molare Enthalpie
4.4 Berechnung des Verdampfungsgleichgewichts mit dem Aktivitätskoezientenansatz
4.5 Bestimmung von Aktivitätskoezienten aus Phasengleichgewichtsmessungen
4.6 Gleichgewicht zwischen einer Lösung und einem reinem Gas
4.7 Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten

5. Reaktionsgleichgewichte mit mehreren linear unabhängigen Reaktionen

6. Einführung in die thermischen Trennverfahren

6.1 Absorption
6.2 Flüssig-Flüssig Gleichgewichte
6.3 Stabilität und Phasenzerfall
6.4 Flüssig-Flüssig-Extraktion

Statische Thermodynamik

HSU

13. November 2017

Statische Thermodynamik

1. Einführung

2. Grundlagen der statistischen Thermodynamik

2.1 Statische Ensembles und die Postulate der statistischen Thermodynamik
2.2 Der Phasenraum
2.3 Das mikrokanonische Ensemble
2.4 Das kanonische Ensemble
2.5 Weitere Ensembles

3. Berechnung der Wärmekapazitäten und anderer Zustandsgrößen idealer Gase

3.1 Prinzipien der Quantenmechanik und die Schrödinger-Gleichung
3.2 Lösungen der Schrödinger-Gleichung für Translationsbewegung, Rotationsbewegung und Schwingungen
3.3 Der Gleichverteilungssatz
3.4 Die Wärmekapazität und andere Zustandsgrößen idealer Gase

4. Zwischenmolekulare Kräfte

4.1 Klassifizierung und Beschreibung zwischenmolekularer Kräfte
4.2 Einfache Modelle fur zwischenmolekulare Kräfte
4.3 Die Virialzustandsgleichung

5. Monte Carlo Simulation und Molekulardynamik zur Berechnung von Zustandsgrößen

5.1 Grundlagen molekularer Simulationen
5.2 Monte Carlo Simulation im kanonischen Ensemble
5.3 Algorithmen für andere Ensembles
5.4 Molekulardynamik im mikrokanonischen Ensemble
5.5 Algorithmen für andere Ensembles
5.6 Simulation von Phasengleichgewichten

6. Transportgrößen

6.1 Grundlagen der kinetischen Gastheorie
6.2 Berechnung von Transportgrößen im Grenzfall des verdünnten Gases mit der kinetischen Gastheorie
6.3 Berechnung von Transportgrößen in molekulardynamischen Simulationen

Wärmeübertragung I

HSU

22. November 2017

Wärmeübertragung I (3 V + 1 Ü)

Die Vorlesung bietet eine Einführung in die grundlegenden Mechanismen der Wärmeübertragung. Die Wärmeleitung, der konvektive Wärmeübergang und die Wärmestrahlung werden in ihren grund-legenden Ansätzen erläutert. Die Berechnung und Auslegung von Wärmeübertragern wird vorgestellt.

Die Vorlesung untergliedert sich in die Kapitel:

1. Wärmeübertragung

1.1. Einführung und einige technische Anwendungen

1.1.1. Die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung
1.1.2. Eindimensionale, stationäre Wärmeleitung
1.1.3. Konvektiver Wärmeübergang
1.1.4. Wärmeübergangskoeffizienten aus dimensionslosen Kennzahlen
1.1.5. Wärmestrahlung
1.1.6. Wärmeverlust durch Strahlung und Konvektion

1.2 Stationärer Wärmedurchgang
1.3. Wärmeübertrager

1.3.1. Stromführungen
1.3.2. Berechnungsgleichungen. Kennzahlen
1.3.3. Der Gegenstrom-Wärmeübertrager
1.3.4. Betriebscharakteristik in anderen Fällen

2. Wärmeleitung

2.1. Das Temperaturfeld
2.2. Eindimensionale, stationäre Wärmeleitung mit Wärmequellen
2.3. Wände mit vergrößerter Oberfläche
2.4. Temperaturverlauf in Rippen. Rippenwirkungsgrad
2.5. Eindimensionale instationäre Wärmeleitung

3. Konvektiver Wärmeübergang

3.1. Die Bilanzgleichungen

3.1.1. Die Dgl. für das Geschwindigkeitsfeld
3.1.2. Die Dgl. für das Temperaturfeld

3.2. Wärmeübergang bei umströmten Körpern

3.2.1. Die Grenzschichttheorie
3.2.2. Die ebene Platte mit konstanter Oberflächentemperatur
3.2.3. Die ebene Platte mit turbulenter Grenzschicht
3.2.4. Der quer angeströmte Zylinder

3.3. Wärmeübergang bei erzwungener Strömung in Kanälen

3.3.1. Strömungsvorgänge
3.3.2. Wärmeübergang bei laminarer Strömung
3.3.3. Wärmeübergang bei turbulenter Strömung

3.4. Wärmeübergang bei freier Konvektion

3.4.1. Overbeck-Boussinesq-Approximation
3.4.2. Die senkrechte Wand
3.4.3. Verschiedene andere Geometrien

4. Wärmestrahlung

4.1. Ausstrahlung
4.2. Bestrahlung
4.3. Absorption und Reflexion von Strahlung
4.4. Hohlraumstrahlung. Gesetz von Kirchhoff
4.5. Die Strahlung des schwarzen Körpers
4.6. Emissionsgrade
4.7. Der graue Lambert-Strahler
4.8. Emissionsgrade realer Körper
4.9. Wärmeübertragung durch Strahlung

4.9.1. Sichtfaktoren
4.9.2. Strahlungsaustausch zwischen grauen Lambert-Strahlern
4.9.3. Strahlungsaustausch zwischen Sender, Empfänger und rückstrahlender Wand

Höhere Wärme- und Stoffübertragung

HSU

21. November 2017

Höhere Wärme- und Stoffübertragung (MB 08515, 4 LP, (2 V + 1 Ü)

1. Einleitung

2. Instationäre Wärmeleitung

2.1 Das Temperaturfeld
2.2 Eindimensionale instationäre Wärmeleitung

2.2.1 Die Laplace-Transformation
2.2.2 Der einseitig unendlich ausgedehnte Körper
2.2.3 Periodische Temperaturänderungen
2.2.4 Abkühlen oder Aufheizen einer Platte

3. Stoffübertragung

3.1 Die Diffusionsstromdichte
3.2 Äquimolare Gegendiffusion und einseitige Diffusion
3.3 Die Dgl. für das Konzentrationsfeld in ruhenden Medien. Analogie zwischen Wärmeleitung und Diffusion
3.4 Konvektiver Stoffübergang

4. Wärmeübertragung beim Kondensieren

4.1 Nußelts Theorie der laminaren Filmkondensation
4.2 Welliger und turbulenter Kondensatfilm
4.3 Kondensation an waagerechten Rohren
4.4 Kondensation in Rohren

5. Wärmeübertragung beim Sieden

5.1 Behältersieden
5.2 Strömungssieden

5.2.1 Strömungssieden in senkrechten Rohren
5.2.2 Strömungssieden in waagerechten Rohren

6. Bauarten von Kondensatoren und Verdampfern

Thermodynamik III

HSU

22. November 2017

Thermodynamik III (MB 08514, 4 LP, 2 V + 1Ü)

1. Einführung

2. Zustandsgleichungen

2.1 Maße für die Zusammensetzung von Gemischen
2.2 Die Fundamentalgleichung von Gemischen
2.3 Die Legendre-Transformation
2.4 Weitere Darstellungen der Fundamentalgleichung
2.5 Thermische Zustandsgleichungen
2.6 Die Berechnung thermodynamischer Eigenschaften aus thermischen Zustandsgleichungen und Fundamentalgleichungen

3. Phasengleichgewichte

3.1 Extremalprinzipien und thermodynamisches Gleichgewicht
3.2 Die Bedingungen für das Phasengleichgewicht
3.3 Die Gibbssche Phasenregel
3.4 Phasendiagramme

4. Phasengleichgewichtsberechnung

4.1 Mischungsgrößen und die Irreversibilität des Mischungsvorgangs
4.2 Partielle molare Zustandsgrößen
4.3 Das chemische Potenzial eines reinen idealen Gases
4.4 Das chemische Potenzial eines reinen realen Fluids
4.5 Das chemische Potenzial einer Komponente i  in einem idealen Gasgemisch
4.6 Das chemische Potenzial einer Komponente i  in einer idealen Lösung
4.7 Das Verdampfungsgleichgewicht zwischen einer idealen Lösung und einem idealen Gasgemisch

5. Reaktionsgleichgewichte

5.1  Chemische  Reaktionen
5.2 Die Bedingung für das Reaktionsgleichgewicht
5.3 Reaktionsgleichgewicht für ein ideales Gasgemisch
5.4 Die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Reaktionsgleichgewichts
5.5 Standard – Bildungsenthalpie und Standardentropie
5.6 Heterogenes Reaktionsgleichgewicht mit reinen kondensierten Phasen

6. Kraftstoffherstellung

Forschungsbeitrag Meschkat

HSU

8. November 2017

( Dipl.-Ing. Michael Meschkat)

Für die Erstellung von Zustandsgleichungen für reine Fluide und Gemische werden genaue Messwerte der Dichte benötigt. An der Professur wird daher ein Dichtemessgerät der Firma Anton Paar nach dem Biegeschwingerprinzip für Messungen unter hohen Drücken für den automatisierten Betrieb aufgebaut. Der Biegeschwinger arbeitet unter Drücken von bis zu 100 MPa im Temperaturbereich zwischen -10°C und +200°C. Darüber hinaus wird eine Infrastruktur für die Herstellung von Gemischen,  d.h. eine Wägevorrichtung und Behälter zur Aufbewahrung von Gemischen unter Druck, aufgebaut.

Tagungsbeiträge

HSU

13. September 2017

K. Meier, R. Tillner-Roth, S. Kabelac, T.J. Edwards
Monte Carlo simulations of binary Lennard-Jones mixtures: A test of the van der Waals one-fluid model
(Vortrag), Thirteenth Symposium on Thermophysical Properties, 22.-27. Juni 1997, Boulder, CO, USA
A. Laesecke, K. Meier, N. Kagawa
Improved torsional crystal viscometry
(Vortrag), Thirteenth Symposium on Thermophysical Properties, 22.-27. Juni 1997, Boulder, CO, USA
K. Meier, R. Tillner-Roth, S. Kabelac
Monte Carlo Simulationen binärer Lennard-Jones Gemische: Mischungsregeltests für Ein-Fluid Modelle
(Vortrag), VDI Thermodynamik-Kolloquium, 6.-8. Oktober 1997, Frankfurt/Main
K. Meier, S. Kabelac
Thermodynamic and transport properties at gaseous states from molecular-dynamics simulations
(Vortrag), Thermodynamics 99, 14.-16. April 1999, London, U.K.
K. Meier, A. Laesecke, S. Kabelac
A molecular-dynamics study of the self-diffusion coefficient and viscosity of the Lennard-Jones fluid
(Vortrag), Fourteenth Symposium on Thermophysical Properties, 25.-30. Juni 2000, Boulder, CO, USA
K. Meier, A. Laesecke, S. Kabelac
Molekulardynamische Simulationen des Selbstdiffusionskoeffizienten und der Viskosität des Lennard-Jones Fluids
(Vortrag), VDI Thermodynamik-Kolloquium, 5.-6. Oktober 2000, Frankfurt/Main
K. Meier, A. Laesecke, S. Kabelac
The `critical‘ enhancement of the bulk viscosity of the Lennard-Jones fluid from equilibrium molecular-dynamics simulations
(Vortrag), Thermodynamics 2001, 4.-6. April 2001, Bristol, U.K.
K. Meier, S. Kabelac
Interpretation of the viscosity and self-diffusion coefficient of the Lennard-Jones model fluid within the relaxation time concept
(Poster), Sixth Liblice Conference on Statistical Mechanics of Liquids, 9.-14. Juni 2002, Spindleruv Mlyn, Tschechische Republik
K. Meier, S. Kabelac
Computer simulation evidence for the critical enhancement of the thermal conductivity of the Lennard-Jones model fluid
(Vortrag), 17th IUPAC Conference on Chemical Thermodynamics, 28. Juli-2. August 2002, Rostock.
K. Meier, S. Kabelac
Decay of time-correlation functions and molecular transport mechanisms in the Lennard-Jones fluid from MD-simulations
(Poster), Thermodynamics 2003, 9.-11. April 2003, Cambridge, U.K.
K. Meier, S. Kabelac
Decay of time-correlation functions and molecular transport mechanisms in the Lennard-Jones model fluid
from molecular-dynamics simulations
(Vortrag), The 2nd International Onsager Conference: `Transport, Dissipation and Vortices‘ on the Occasion of
Lars Onsager’s 100th Anniversary, 1.-5. Juni 2003, Trondheim, Norwegen
K. Meier, S. Kabelac
An apparatus for measurements of the speed of sound in liquids under high pressures
(Vortrag), Fifteenth Symposium on Thermophysical Properties, 22.-27. Juni 2003, Boulder, CO, USA
K. Meier, C. Holzknecht, S. Kabelac, S. Olbrich, K. Chmielewski
3D visualization of molecular simulations in high-performance parallel computing environments
(Poster), Second International Conference on Foundations of Molecular Modeling and Simulation,
6.-11. Juli 2003, Keystone, CO, USA
K. Meier, S. Kabelac
Measurements of the speed of sound in liquid propene under high pressures
(Vortrag), Thermodynamics 2005, 6.-8. April 2005, Sesimbra, Portugal
K. Meier, S. Kabelac
Measurements of the speed of sound in liquid propane under high pressures
(Vortrag), 17th European Conference on Thermophysical Properties, 5.-8. September 2005, Bratislava, Slowakische Republik
K. Meier, S. Kabelac
Messungen der Schallgeschwindigkeit im Flüssigkeitsgebiet der Kältemittel Propan Propen und R227ea
(Vortrag), Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2005, 16.-18. November 2005, Würzburg
K. Meier, S. Kabelac
Calculation of pressure derivatives in the classical MD ensemble
(Poster), Third International Conference on Foundations of Molecular Modeling and Simulation,
9.-14. Juli 2006, Blaine, WA, USA
K. Meier, S. Kabelac
Measurements of the speed of sound in the refrigerants 227ea and 365mfc in the liquid phase
(Vortrag), Sixteenth Symposium on Thermophysical Properties, 30. Juli-4. August 2006, Boulder, CO, USA
K. Meier, S. Kabelac
Thermomechanical treatment of fluid-fluid interfaces within density gradient theory – A review
(Vortrag), Sixteenth Symposium on Thermophysical Properties, 30. Juli-4. August 2006, Boulder, CO, USA.
K. Meier, S. Kabelac
Entwicklung und Aufbau einer Apparatur für Präzisionsmessungen der Schallgeschwindigkeit in Fluiden unter hohem Druck
(Vortrag), VDI Thermodynamik-Kolloquium, 5.-6. Oktober 2006, Dortmund.
K. Meier
Development of an Instrument for Highly Accurate Measurements of the Speed of Sound in Fluids at High Pressures
(Helmholtz Award Lecture), IAPWS Annual Meeting, 26.-31. August 2007, Luzern, Schweiz.
Konferenzbeiträge Prof. Roetzel