Technische Thermodynamik

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 Zustands- und Prozessgrößen unterscheiden.
- die unterschiedlichen Terme in den Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie interpretieren (inklusive Transport über Systemgrenzen und instationäre Effekte)
- unterschiedliche Formen der Arbeit in unterschiedlichen thermodynamischen Systemen identifizieren, um damit vollständige Bilanzen für totale / innere / mechanische Energien zu erstellen.
- mit Hilfe der kalorischen und thermischen Zustandsgleichungen einfache Zustandsänderungen sowohl von inkompressiblen Medien mit konstanten Stoffwerten als auch von idealen Gase quantitativ beschreiben.
- Zustandsänderungen in Einstoff-Mehrphasensystemen mittels Dampftafeln beschreiben.
- die Erhaltungssätze anwenden, um Arbeits- und Wärmeumsatz einfacher Iso-Prozesse zu bestimmen.
- Charakteristika der wichtigsten Kreisprozesse (Carnot, Joule, Rankine, Otto, Diesel, ...) benennen.
- Wärmekraftmaschinen, Kälteaggregate oder andere Apparate zur Energiewandlung mittels der Erhaltungssätze der Thermodynamik und der Ergebnisse für Arbeit und Wärme von Iso- und Kreisprozessen sowie mit Hilfe thermodynamischer Diagramme (TV, pV, Ts, hs, ph, etc.) auslegen und bewerten (“nachrechnen”).
- irreversible Entropieproduktion und damit verbundenen Exergieverlust durch Bilanzierung bestimmen und reversible von irreversiblen Prozessen abgrenzen.
- Prozesse mittels Exergie(strom)bilanzen bewerten.

Einleitung
- Atome, Moleküle und Kontinua
- Vereinfachte kinetische Theorie des idealen Gases
- Thermodynamisches (Un)Gleichgewicht
- Typen Thermodynamischer Systeme
- Feld- vs. globale Variablen
- Bilanzgleichungen für Masse und Energie (1. Hauptsatz)

Zustandsgrößen und -gleichungen
- Thermodynamische (Zustands-)größen
- Messung thermo(fluid)dynamischer Größen
- Temperatur und 0. Hauptsatz
- Klassifizierung von Größen
- Zustandsgleichungen und konstitutive Beziehungen
- Flüssigkeiten und Feststoffe
- Ideale Gase - Thermische & Kalorische Zustandsgleichung
- Gemische idealer Gasen
- Phasen und Phasenwechsel
- p/v/T-Diagramme für Phasenwechsel
- Gibbs’sche Phasenregel
- Zustandsgrößen von Dampf

(Kreis-)Prozesse
- Zustands- vs. Prozessgrößen, Weg- vs. Punktfunktionen
- Thermodynamische Kreisprozesse als Abfolge von Iso-Prozessen
- Arbeit und Wärme reversibler Iso-Prozesse
- Iso-Prozesse idealer Gase
- Thermodynamischer Wirkungsgrad von Kreisprozessen

Bilanz- und Erhaltungsgleichungen
- Massenbilanz
- Impulsbilanz
- Energiebilanz(en) für offene Systeme
- Äußere Arbeit
- Strömungsmaschinen
- Innere Energie und innere Arbeit
- Massen- und Energiebilanzen beim Verdampfen

Entropie und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
- Irreversibilität der Wärmeübertragung
- Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen
- Gibbs’ Gleichung
- Erzeugung von Entropie durch viskose Dissipation
- Veränderung der Entropie bei idealen Gasprozessen
- Maximierung der Entropie im Gleichgewicht
- Statistische Interpretation der Entropie

(Kreis-)Prozesse für Fortgeschrittene
- Rekapitulation
- Kreisprozessanalyse mit Ts- und hs-Diagrammen
- Irreversible (Kreis-)Prozesse mit Irreversibilitäten
- Arbeitsfähigkeit und Exergie
- Zustandsgleichungen nicht-idealer Gase
- Flug- und Raumfahrtantriebe

Mathematik: Logarithmus und Exponentialfunktion, Analysis (insb. Differential- und Integralrechnung, Funktionen zweier Variablen)
Physik bzw. Mechanik: Kraft & Arbeit, potentielle & kinetische Energie, Fadenpendel

Wir folgen dem Format des " Inverted Classroom"; und stellen die Konzepte und Methoden der Thermodynamik in online verfügbaren Präsentationen ("SlideCasts") vor. Daneben gibt es zum Selbststudium ein Skriptum, das den Inhalt der Folien sowie ausführliche Kommentare und Erläuterungen enthält.
In der Vorlesung in Präsenz wird dann anhand von Beispielaufgaben die Anwendung der Konzepte und Methoden auf konkrete Probleme demonstriert. Außerdem werden Fragen im Pingo-Format sowie Fragen z.B. aus dem Moodle-Forum erörtert. Aus- und Rückblicke helfen, die jeweils aktuellen Inhalte in den Gesamtzusammenhang der Thermodynamik und ihrer Anwendungen einzuordnen.
Zentrales Element und Taktgeber des Moduls ist die Tutorübung. Hier nutzen die Teilnehmer ihre neu erworbenen Kenntnisse und Kompetenzen, um Übungsaufgaben möglichst eigenständig, dabei gerne in Kleingruppen, zu lösen. Bei Bedarf leisten Tutoren und die Übungsleitung Unterstützung. Außerdem können selbstständig bearbeitete Aufgaben zur individuellen Korrektur eingereicht werden.
E-Tests in Moodle ergänzen das Lehrangebot.

Skriptum, Aufgabensammlung und eine Formelsammlung gibt es als Umdruck von der Fachschaft Maschinenbau oder als PDF in Moodle.

Weigand, B., Köhler, J., von Wolfersdorf, J., Thermodynamik kompakt. (4. Aufl., Springer, 2016). Über die TUM-Bibliothek als eBook verfügbar.