Engineering Thermodynamics

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Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul können die Studierenden: - die zentralen thermodynamischen Begriffe wie Energie, Innere Energie, Entropie, und Exergie erläutern. - zwischen Temperatur und Wärme sowie Zustandsgrößen und Prozessgrößen unterscheiden. - die unterschiedlichen Terme in der allgemeinen, integralen Form der Erhaltungsgleichungen für Mass, Impuls und Energie interpretieren (inklusive Transport über Systemgrenzen und instationäre Effekte) - mit Hilfe geeigneter Näherungen aus der allgemeinen Form der Erhaltungssätze Sonderformen zur Beschreibung spezieller Systeme ableiten. - unterschiedliche Formen der Arbeit in unterschiedlichen thermodynamischen Systemen identifizieren, um damit vollständige Bilanzen für totale / innere / mechanische Energie zu erstellen. - mit Hilfe der kalorischen und thermischen Zustandsgleichungen einfache Zustandsveränderungen idealer Gase quantitativ beschreiben. - Zustandsveränderungen in Einstoff-Mehrphasensystemen mittels Dampftafeln ermitteln. - Zustandsveränderungen inkompressibler Flüssigkeiten und Festkörpern mit konstanten Stoffwerten berechnen. - die Erhaltungssätze anwenden, um Arbeit, Wärme einfacher Prozesse zu bestimmen. - Charakteristika der wichtigsten Kreisprozesse (Carnot, Joule, Rankine, Otto, Diesel, ) benennen. - mit Hilfe von Ergebnissen für Arbeit und Wärme von Iso- und Kreisprozessen Wärmekraftmaschinen und andere Apparate zur Energiewandlung auslegen oder bewerten (“nachrechen”). - mit Hilfe von thermodynamischen Diagrammen (TV, pV, Ts, hs, ph, etc.) oder Dampftafeln Wärmekraftmaschinen und andere Apparate zur Energiewandlung auslegen oder bewerten (“nachrechen”). - irreversible Entropieproduktion und damit verbundenen Exergieverlust durch Bilanzierung bestimmen und reversible von irreversiblen Prozessen abgrenzen. - einfache Prozesse mittels Exergiestrombilanz bewerten.

Die Vorlesung ist in fünf Kapitel gegliedert: 1) Thermodynamischer Zustand. Zustandsdiagramme, und -veränderungen. Thermische und kalorische Zustandsgleichungen bzw. Stoffwerte idealer und nicht-idealer Gase, inkompressibler Flüssigkeiten und Feststoffe sowie von gas-flüssig-fest Einstoffsystemen (Dampftafeln). Massen- und Energiebilanzen beim Phasenübergang. 2) Zustands- und Prozessgrößen. Arbeit und Wärme reversibler Iso-Prozesse. Thermodynamische Wirkungsgrade reversibler Kreisprozesse (Carnot, Joule ,..). 3) Allgemeine Integralformulierung der Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie. Daraus abgeleitete, einfache Formulierungen für offene und geschlossene Systeme. Erscheinungsformen der Arbeit. Innere Energie und innere Arbeit. Erster Hauptsatz der Thermodynamik. 4) Entropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, TS Diagramme, Gibbs-Gleichung, Entropieerzeugung irreversibler Prozesse, Theorem von Guoy-Stodola. Maximierung der Entropie im thermodynamischen Gleichgewicht. Thermodynamische Potentiale. Statistische Interpretation der Entropie. 5) Exergie Bilanzen und irreversible Prozesse. Polytrope Zustandsgleichung, Van der Waals Gase. Clausius-Clapeyron.

Mathematik (Analysis, gewöhnliche DGL, Vektoranalyse, Satz von Gauss) Mechanik (Kraft, Arbeit, kinetische Energie) Physik der Wärme (Temperatur, Wärmekapazitäten, ...) Matlab-Grundkenntnisse

Gemäß des Ansatzes des "Inverted Classrooms" werden die Konzepte und Methoden der Thermodynamik in online verfügbaren, annotierten und besprochenen Präsentationen vorgestellt. In der Vorlesung werden dann diese Konzepte anhand von interaktiven Fragen im Pingo Format diskutiert. Zur Vertiefung findet eine Zentralübung statt, in der die Anwendung der Konzepte und Methoden demonstriert wird. Zusätzlich wird eine Kleingruppenübung angeboten, in der die Studiernden die erlernten Konzepte selbst zum Lösen von Aufgaben anwenden, und um Fragen der Studierenden zu beantworten. Darüber hinaus sind die Studierenden angehalten, die wöchentlich selbstständig bearbeiteten Aufgaben zur individuellen Korrektur einzureichen. E-Tests auf Moodle ergänzen das Lehrangebot.

Die Modulprüfung ist schriftlich (90 min). Als Hilfsmittel sind die offizielle Formelsammlung mit handschriftlichen Ergänzungen, sowie ein nichtprogrammierbarer Taschenrechner zugelassen. Die Studierenden bearbeiten in der Prüfung Aufgaben, die sich an den Beispielen und Aufgaben von Vorlesung und Zentralübung sowie den E-Tests orientieren. Im ersten Aufgabenblock werden Grundbegriffe, Methoden und Konzepte der technischen Thermodynamik mittels Kurzfragen abgefragt. Die folgenden Aufgaben sind mit Teilaufgaben vorstrukturierte Auslegungsrechnungen, um die Problemlösungskompetenz der Studierenden zu prüfen.

Baehr, H.D., 2012. Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen, Auflage: 15. Aufl. 2012. ed. Springer, Berlin; Heidelberg. Cengel, Y.A., Boles, M.A., 2001. Thermodynamics: An Engineering Approach, 4th edition. ed. Mcgraw-Hill College, Boston. Müller, I., Müller, W.H., 2009. Fundamentals of Thermodynamics and Applications: With Historical Annotations and Many Citations from Avogadro to Zermelo, Auflage: 2009. ed. Springer, Berlin. Weigand, B., 1000. Thermodynamik Kompakt (Springer-Lehrbuch) (German Edition) von Weigand, Bernhard (2013) Taschenbuch, Auflage: 3., aktual. Aufl. 2013. ed. Springer Vieweg.