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Thermodynamik I und II

Modulbezeichnung: Thermodynamik I und II
Studiengang: Maschinenbau/Prozesstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2013
Code: MAB.2.3.T12
SWS/Lehrform: 4V (4 Semesterwochenstunden)
ECTS-Punkte: 5
Studiensemester: 2
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prόfungsart:
Klausur
Zuordnung zum Curriculum:
FT06 Fahrzeugtechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2011, 2. Semester, Pflichtfach
FT06 Fahrzeugtechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2015, 2. Semester, Pflichtfach
FT06 Fahrzeugtechnik, Bachelor, ASPO 01.04.2016, 2. Semester, Pflichtfach
FT06 Fahrzeugtechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2019, 2. Semester, Pflichtfach
MAB.2.3.T12 Maschinenbau/Prozesstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2013, 2. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Die Präsenzzeit dieses Moduls umfasst bei 15 Semesterwochen 60 Veranstaltungsstunden (= 45 Zeitstunden). Der Gesamtumfang des Moduls beträgt bei 5 Creditpoints 150 Stunden (30 Std/ECTS). Daher stehen für die Vor- und Nachbereitung der Veranstaltung zusammen mit der Prüfungsvorbereitung 105 Stunden zur Verfügung.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
Als Vorkenntnis empfohlen fόr Module:
MAB.4.2.1.11 Mathcad
MAB.4.3.FKS Angewandte Fluidmechanik, Kolben- und Strömungsmaschinen
MAB.5.16.P-ETL Energietechnik mit Labor


[letzte Änderung 11.07.2017]
Modulverantwortung:
Prof. Dr.-Ing. Christian Gierend
Dozent:
Prof. Dr.-Ing. Christian Gierend
Prof. Dr.-Ing. Klaus Kimmerle
Prof. Dr.-Ing. Horst Altgeld


[letzte Änderung 12.05.2011]
Lernziele:
Lernziele:
Die Studierenden sind in der Lage:
•        die Unterschiede zwischen Zustandsgrößen und Prozessgrößen zu erklären.
•        die Energiebilanzen für ideale Prozesse aufzustellen und zu berechnen.
•        die Unterschiede zwischen idealen und realen Zustandsänderungen zu benennen.
•        p-V, T-s und h-s Diagramme sowie Dampftafeln zu benutzen und anzuwenden.
•        den Carnot Prozess zu erläutern und zu berechnen.
•        drei weitere ideale Gasprozesse zu erläutern und zu berechnen.
•        den idealen Dampf-Kraft-Prozess zu erläutern und zu berechnen.


[letzte Änderung 06.02.2019]
Inhalt:
Einführung und Grundbegriffe
•        Thermodynamische Systeme und Zustände
•        Druck, Temperatur (Null΄ter Hauptsatz)
•        spezifisches Volumen, Dichte, Molmasse
•        innerer Zustand, äußerer Zustand, Totalzustand
Zustandsgleichungen und Zustandsänderungen
•        Zustandsgleichung idealer Gase
•        spezifische Wärmekapazitäten für ideale Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, Einführung und Definition
•        der erste Hauptsatz für ein geschlossenes System
•        Ausgetauschte Wärme und Arbeit
•        Volumen- und Druckänderungsarbeit
•        Reibungs- oder Dissipationsarbeit, äußere Arbeit
•        der erste Hauptsatz für einen stationären Fließprozess
•        Einführung der technischen Arbeit und Leistung
•        Definition, Berechnung der technischen Arbeit und Leistung
•        Quasistatische Zustandsänderungen homogener Systeme
•        Zustandsänderungen isobar, isotherm, isochor, adiabat, isentrop, polytrop
•        der erste Hauptsatz für einen instationären Fließprozess
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, Einführung und Definition
•        Entropieänderung idealer Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe
•        Entropieänderung für einen stationären Fließprozess
•        Zustandsänderungen im T-s und h-s- Diagramm
Wirkungsgrade und Leistungsziffern in Kreisprozessen
•        Grundlagen Kreisprozesse, rechts- und linkslaufend
•        thermischer Wirkungsgrad, Leistungsziffer
•        idealisierte Kreisprozesse mit idealen Gasen
•        ausgetauschte Wärmen und Arbeiten
Kreisprozesse
•        idealisierte Kreisprozesse mit idealen Gasen
•        Vergleichsprozess (CARNOT)
•        Turbinen Prozesse (JOULE)
•        Gleichraumprozess (OTTO)
•        Gleichdruckprozess (DIESEL)
Reine reale Stoffe und deren Anwendung
•        Wasser und Wasserdampf
•        Zustandsgrößen von flüssigem Wasser
•        Zustandsgrößen im Nassdampfgebiet,
•        Zustandsgrößen von überhitztem Wasserdampf
•        Dampfkraftanlagenprozess (CLAUSIUS-RANKINE)
•        idealer einstufiger Dampfkraftprozess
Gemische idealer Gase
•        Massen-, Mol- und Volumenanteile
•        Zustandsgrößen von Gemischen
•        Mischungsentropie
 
Inhalt:
Einführung und Grundbegriffe
    Thermodynamische Systeme und Zustände
    Druck, Temperatur (Hauptsatz)
    spezifisches Volumen, Dichte, Molmasse
    innerer Zustand, äußerer Zustand,
Totalzustand
    Zustandsgleichungen und Zustandsänderungen
    Zustandsgleichung idealer Gase
    Spezifische Wärmekapazitäten für ideale Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, Einführung und Definition
    Hauptsatz für ein geschlossenes System
    Ausgetauschte Wärme und Arbeit
    Volumen- und Druckänderungsarbeit
    Reibungs- oder Dissipationsarbeit, äußere Arbeit
    1. Hauptsatz für einen stationären Fließprozess
    Einführung der Arbeit und Leistung
    1. Hauptsatz für stationären Fließprozess
    Definition, Berechnung der technischen Arbeit und Leistung
    Quasistatische Zustandsänderungen homogener Systeme
    Zustandsänderungen isobar, isotherm, isochor, isentrop, polytrop
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, Einführung und Definition
    Entropieänderung idealer Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe Entropieänderung
    für einen stationären Fließprozess Zustandsänderungen im T-s und h-s-Diag-
    gramm
Kreisprozesse, Wirkungsgrade und Leistungsziffern Grundlagen Kreisprozesse,
    rechts- und linkslaufend thermischer Wirkungsgrad, Leistungsziffer ideali-
    sierte Kreisprozesse mit idealen Gasen ausgetauschte Wärmen und Arbeiten
Kreisprozesse, Wirkungsgrade und Leistungsziffern
    idealisierte Kreisprozesse mit idealen Gasen
        Vergleichsprozesse (CARNOT)
        Turbinen Prozesse (JOULE)
        Gleichraumprozess (OTTO)
        Gleichdruckprozess (DIESEL)
Reine reale Stoffe und deren Anwendung
        Wasser und Wasserdampf
            Zustandsgrößen von flüssigen Wasser
            Zustandsgrößen im Nassdampfgebiet,
            Zustandsgrößen von überhitztem Wasserdampf
Dampfkraftanlagen (CLAUSIUS-RANKINE)
        idealer einstufiger Dampfkraftprozess
 
Thermodynamik
1.        Vorlesung
Die Studierenden sind in der Lage
- Vertiefende Grundlagen der Thermodynamik wiederzugeben
- Spezielle Prozesse und Zustandsänderungen zu beschreiben und zu charakterisieren
- Neue, reaktive Ansätze der Thermodynamik durchzuführen und einzuschätzen
- Die Anwendung des 1. und 2. Hauptsatzes der Thermodynamik und deren Kreisprozesse & Vergleichsprozesse aufzuzeigen und zu erklären.
 
 Die Studierenden sollen:
- als theoretische Grundlage diverser ingenieurwissenschaftlicher Arbeitsgebiete Kenntnisse über die Grundzüge der Thermodynamik haben,
- durch das erlernte abstrakte Denken und das Denken in physikalischen Modellen grundlegende Prozesse beurteilen und begleiten können.
- Berechnete Werte, Zustandsänderungen und Kreisprozesse in pv-, ts-, hs- und ph-Diagramme einzuzeichnen
- Die Auswahl der technischen Apparate und Einbauten für die Kreisprozesse zu begründen und zu bewerten
 
2. Übung
Die Studierenden sind in der Lage
- Zustandsgrößen und Prozessgrößen  zu erkennen und Berechnungsmethoden auszuwählen, z.B. ideales Gasgesetz, ...
- Zustandsgrößen und Prozessgrößen  für die Kreislaufprozesse zu ermitteln
- allgemeine Aufgaben zur Thermodynamik zu berechnen
- Zusammenhänge von speziellen Stoffdaten, Enthalpie und Entropieänderungen aufzuzeigen und zu berechnen
 
Thermodynamik Fachkompetenz:
Die Studierenden beherrschen nach erfolgreicher Beendigung des Moduls die Grundlagen um gezielt die Mechanismen der Thermodynamik zu beschreiben. In der Vorlesung erlangen die Studierenden die Fähigkeiten zum Umgang mit komplexen Formeln, deren Inhalte sowohl auf Stoffgrößen, thermischen Prozessgrößen, thermischen Zustandsgrößen und stoffabhängigen Eigenschaftswerten beruhen.
  
Studierende sind mit verschiedenen Kreisprozessen wie Joule, Otto, Diesel, Stirling, Seiliger und Clausius-Rankine vertraut. Sie können die jeweiligen energetischen und exergetischen Wirkungsgrade herleiten und kennen damit den Einfluss verschiedener Faktoren auf den Wirkungsgrad. Sie können linkslaufende und rechtslaufende Kreisprozesse den jeweiligen Anwendungen (Wärmekraftprozess, Kälteprozess) zuordnen. Sie haben vertiefte Kenntnisse von Dampfkreisprozessen und können die Kreisprozesse in den in der Technischen Thermodynamik üblichen Diagrammen darstellen.
 
Thermodynamik Methodenkompetenz:
Die Studierenden sind in der Lage, die Hauptsätze anzuwenden und damit die zu übertragenden Energien quantitativ zu bestimmen. Mit Hilfe der Entropie müssen Aussagen über die Reversibilität und Irreversibilität gemacht, um mit Hilfe der Exergie Bewertungen vornehmen zu können. Aufgrund der Zustandsänderungen müssen qualitativ richtige Aussagen über Kreisprozesse erfolgen; dabei ist der Bereich der reinen Gasphase als auch des Zweiphasengebietes eingeschlossen. Es werden sowohl Kraftmaschinen als auch Wärmepumpen und Kältemaschinen einbezogen. Die Behandlung von Zweistoffsystemen im Bereich des idealen Gases als auch im Nassdampfgebiet muss den Studierenden möglich sein.
Die Studierenden beherrschen die grundlegenden Konzepte der Thermodynamik, speziell
- den ersten und zweiten Hauptsatz für geschlossene sowie offene durchströmte Systeme
- die Zusammenhänge der Zustandsänderungen idealer und realer Gase
- die Anwendungen der Thermodynamik bei Kreisprozessen für Stoffe ohne und mit Phasenwechsel.
Fertigkeiten:
Studierende sind in der Lage, die Grundlagen der Thermodynamik auf technische Prozesse anzuwenden.  Insbesondere können sie Energie-, Exergie- und Entropiebilanzen aufstellen, um damit technische Prozesse zu optimieren. Sie können einfache sicherheitstechnische Rechnungen hinsichtlich des Ausströmens von Gasen aus einem Behälter durchführen. Sie sind in der Lage, einen verbal geschilderten Zusammenhang in einen abstrakten Formalismus umzusetzen.
Damit sind die Studierenden im Stande, Problemstellungen der Thermodynamik zu beurteilen und zu bearbeiten. Durch gezielte Anwendung der erlernten Lösungsalgorithmen können sie sicher unterscheiden, an welchen Stellgrößen eine Zustandsänderung zu bilanzieren ist, zu quantifizieren ist und welche Möglichkeiten der Optimierung (verfahrenstechnisch, maschinenbautechnisch, fluid-mechanisch oder bei der Werkstoffauswahl) über die möglichen Stoffdatenbeschaffenheiten unter Druck, Temperatur und Volumenspezifizierung anwendbar sind.
 
Thermodynamik Sozialkompetenz, Selbständigkeit:
Die Studierenden können in Kleingruppen diskutieren und einen Lösungsweg erarbeiten.
Die Studierenden sind fähig, eigenständig Aufgaben zu definieren, hierfür notwendiges Wissen aufbauend auf dem vermittelten Wissen selbst zu erarbeiten, sowie geeignete Mittel zur Umsetzung einzusetzen.
 
Die sichere Bewertung von Zustandsänderungen und Prozessgrößen sind Gegenstand der kommunikative

[letzte Änderung 06.02.2019]
Lehrmethoden/Medien:
Leitfaden zur Vorlesung, Übungsaufgaben zur Vorlesung, Formelsammlung

[letzte Änderung 01.06.2011]
Literatur:
- Reimann, M.: Thermodynamik mit Mathcad, Oldenbourg 2010
- Elsner: Technische Thermodynamik
- Cerbe&Hoffmann: Einführung in die Thermodynamik
- Schmidt&Stephan&Mayinger: Technische Thermodynamik Band 1 und 2.
- Lüdecke&Lüdecke: Thermodynamik
- VDI Wärmeatlas

[letzte Änderung 12.07.2015]
[Mon Jul 22 20:31:17 CEST 2019, CKEY=mtiui, BKEY=m, CID=MAB.2.3.T12, LANGUAGE=de, DATE=22.07.2019]