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Grundlagen der Thermodynamik

Modulbezeichnung: Grundlagen der Thermodynamik
Studiengang: Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021
Code: DBMAB-160
SWS/Lehrform: -
ECTS-Punkte: 8
Studienjahr: 1
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
2 benotete Teilprüfungen:
 
• Schriftliche Teilklausur „Thermodynamische Grundlagen“ (Dauer 90 Min., 100 Pkt.)
  o Die Klausur wird im 2. Semester (Block 2B) gemäß Prüfungsplan geschrieben.
 
• Schriftliche Teilklausur „Thermodynamik der Werkstoffe“ (Dauer 60 Min., 100 Pkt.)
  o Die Klausur wird im 2. Semester (Block 2A) gemäß Prüfungsplan geschrieben

[letzte Änderung 11.08.2021]
Verwendbarkeit / Zuordnung zum Curriculum:
DBMAB-160 Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021, 1. Semester, Pflichtfach
DBWI-160 Wirtschaftsingenieurwesen / Produktionsmanagement, Bachelor, ASPO 01.10.2021, 1. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Der Gesamtaufwand des Moduls beträgt 240 Arbeitsstunden.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
Sonstige Vorkenntnisse:
Formal: Keine
Inhaltlich: Mathematik-1 bzw. Mathematik für Wirtschaftsingenieure-1

[letzte Änderung 11.08.2021]
Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
Modulverantwortung:
Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler

[letzte Änderung 11.06.2021]
Lernziele:
„Grundlagen der Thermodynamik“ ist ein interdisziplinäres Modul an der Schnittstelle zwischen Physik,
Chemie, Energie-, Verfahrens- und Werkstofftechnik.
 
Thermodynamische Grundlagen:
 
Die Studierenden verfügen über die physikalischen Grundlagen thermodynamischer Prozesse
(Hauptsätze, Temperaturmessung, ideale Gase, Kreisprozesse) und verstehen thermodynamische
Phänomene, Konzepte und Zusammenhänge. Sie können Zustandsänderungen und reversible Kreisprozesse mit idealen Gasen berechnen, Energiebilanzen idealer Prozesse aufstellen und Maschinen, die auf Basis eines Wärmekraftprozesses bzw. eines Kälte- bzw. Wärmepumpenprozesses arbeiten, beschreiben. Die Studierenden kennen die Mechanismen der Wärmeübertragung (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) und können die grundlegenden Gesetze der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Strahlung auf einfache, technische Wärmeübertragungsvorgänge anwenden. Die Studierenden sind mit den Grundlagen der chemischen Thermodynamik (Thermochemie, Ablauf chemischer Reaktionen, Katalysatoren und Inhibitoren) und der chemischen Reaktionskinetik vertraut und können diese zur Deutung und Berechnung einfacher chemischer Prozesse anwenden. Nach erfolgreicher Teilnahme an dem Modulelement „Thermodynamische Grundlagen“ sind die Studierenden somit in der Lage, thermodynamische Fragestellungen und einfache ingenieurwissenschaftliche Probleme in der Energie- und Verfahrenstechnik unter Anwendung mathematischer Methoden selbstständig zu beantworten.
Das Modulelement „Thermodynamische Grundlagen dient der Erweiterung und der Stärkung der fachlichen Kompetenz „Wissen und Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der instrumentalen Kompetenz sowie dem Aufbau der systemischen Kompetenz, Probleme unter Berücksichtigung naturwissenschaftlich-technischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sachverhalte zu lösen.
 
Thermodynamik der Werkstoffe:
 
Die Studierenden können die reale Kristallstruktur metallischer Werkstoffe beschreiben. Sie sind in der
Lage, die Veränderung der Phasenumwandlungspunkte eines Reinstoffes in Abhängigkeit von Druck und Temperatur mit Hilfe der Hauptgleichungen der Thermodynamik und der Maxwell-Beziehungen qualitativ darzustellen, und können mit Einstoffsystemen als p,T-Diagramm arbeiten. Sie sind mit den Grundlagen der flüssig-fest- und der fest-fest-Phasenumwandlung vertraut, kennen den Unterschied, die Bedeutung und die Möglichkeiten der Beeinflussung von Keimbildung und -wachstum, verstehen deren Zusammenspiel sowohl bei der Erstarrung als auch bei einer Phasenumwandlung im festen Zustand und können daraus den Aufbau von Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern ableiten. Des Weiteren kennen sie die Phasenumwandlungen (eutektisch, peritektisch, eutektoid, peritektoid) in
Zweistoffsystemen, ihre Beeinflussung durch die Abkühlgeschwindigkeit und ihre Auswirkung auf das
Gefüge von Legierungen, so dass sie auch unter Anwendung des Hebelgesetzes mit Phasendiagrammen von Zweistoffsystemen arbeiten können. Die Studierenden sind mit den thermodynamischen Grundlagen von Al-Gusslegierungen vom Typ AlSi vertraut und kennen die nachteiligen Auswirkungen der groben Si-Körner im Gefüge sowie die als Veredelung bezeichneten Gegenmaßnahmen. Die Studierenden können mit dem metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramm arbeiten und das Gefüge von Stählen in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit beschreiben. Sie verstehen die Grundlagen der Wärmebehandlung „Vergüten“.
Das Modulelement „Thermodynamik der Werkstoffe“ dient der Erweiterung und der Stärkung der fachlichen Kompetenz „Wissen und Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der instrumentalen Kompetenz.

[letzte Änderung 11.08.2021]
Inhalt:
• Einführung in die Thermodynamik
  o Grundbegriffe: Energie, thermodynamisches System, Zustände, Zustandsänderungen,
    Temperatur, thermodynamisches Gleichgewicht, Wärme, Wärmekapazität, Arbeit, innere Energie, Enthalpie,Entropie
  o Hauptsätze der Thermodynamik und einfache Anwendungen
  o ideale Gasgleichung
  o p,v-Diagramme
  o Kreisprozesse: Wärmekraftprozess, Kälte- und Wärmepumpenprozess
  o Wärmeübertragung:
    - Wärmeleitung: Wärmeleitfähigkeit, Zusammenhang von Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und
      Temperatur bei Metallen, 1D-Wärmeleitung nach Fourier, Wärmestrom, Wärmewiderstand,
      Wärmedurchgangskoeffizient
    - Konvektion
    - Wärmestrahlung: Emissions- und Absorptionsvermögen, schwarzer Strahler, grauer Strahler, Stefan-Boltzmann-
      Gesetz, Wiensches Verschiebungsgesetz
  o Chemische Thermodynamik: Reaktionswärme, -energie und -enthalpie, molare Standardbildungsenthalpie,
    Bildungsenthalpien, Satz von Hess, Brennwert und Heizwert, Entropieänderungen bei chemischen Reaktionen,
    Prinzip des Entropiemaximums, freieEnthalpie, Ablauf chemischer Reaktionen, Reaktionsarten (endotherm,
    exotherm, endergonisch, exergonisch), Katalysatoren (Wirkungsweise, homogene und heterogene Katalyse,
    Autokatalyse, Enzyme, Katalysatorgifte) und Inhibitoren
 
• Nullter Hauptsatz der Thermodynamik - Vertiefung
  o Temperatur, thermisches Gleichgewicht, Temperaturskalen
  o Temperaturmessung: Thermoelemente, Flüssigkeits-, Widerstands- und Strahlungsthermometer
 
• Erster Hauptsatz der Thermodynamik - Vertiefung
  o Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme: Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit, innere Energie,
    mathematische Formulierung, Kreisprozesse, Enthalpie
  o Erster Hauptsatz für offene Systeme: Stationäre und instationäre Strömung, technische Arbeit, Leistung,
    Energiebilanz, mathematische Formulierung, p,v-Diagramm
  o Thermischer Wirkungsgrad von Wärmekraftprozessen
  o Leistungszahl für Kälte- und Wärmepumpenprozesse
  o Spezifische Wärmekapazität, molare Wärmekapazität, mittlere Wärmekapazität
  o Kalorimeter
  o Phasenumwandlungen und -enthalpien, Temperatur-Energie-Diagramm,
 
• Ideale Gase - Vertiefung
  o Thermische und kalorische Zustandsgleichung
  o Kinetische Gastheorie: Grundlagen, molare innere Energie, Wärmekapazität, Energieverteilung nach Boltzmann,
    Geschwindigkeitsverteilung nach Maxwell und Boltzmann, mittlere, freie Weglänge, Stoßzahlen von Gasteilchen,
    Übertragung auf die chemische Reaktionskinetik (Reaktionslaufzahl und -geschwindigkeit, Einfluss von
    Temperatur, Konzentration und Phasengrenzen auf chemische Reaktionsgeschwindigkeiten, einfache
    Geschwindigkeitsgesetze, Reaktionsordnung, Arrhenius-Gleichung, integrierte Geschwindigkeitsgesetze,
    aufeinanderfolgende Reaktionen, geschwindigkeitsbestimmender Schritt)
  o Entropie idealer Gase
  o T,s-Diagramm
  o Einfache Zustandsänderungen (isochor, isobar, isotherm, adiabat, polytrop)Inhalte von Vorlesungen und Übungen
    zu „Thermodynamik der Werkstoffe“
 
• Einteilung der Werkstoffe
 
• Kristallstrukturen
  o Metallische Gitterstrukturen
  o Reale Kristallstruktur: Gitterfehler, Anisotropie, Quasiisotropie und Textur
 
• Legierungsbildung
  o Ziele der Legierungsbildung
  o Legierungsphasen: Lösungsphasen, intermetallische Verbindungen
 
• Angewandte Thermodynamik der Werkstoffe
  o Diffusion, thermisch aktivierter Prozess, Diffusionsmechanismen, Diffusionsweg,
    1. Ficksches Diffusionsgesetz
  o Hauptsätze der Thermodynamik, Entropie, freie Energie, freie Enthalpie, thermodynamische Hauptgleichungen,
    Maxwell-Beziehungen
  o Phasengleichgewichte: Koexistenzbedingungen, Abhängigkeit der Stabilität und der Umwandlung der Phasen eines
    Reinstoffes von Temperatur und Druck, Einstoffsysteme und Gibbssche Phasenregel
  o flüssig-fest-Phasenumwandlung: Keimbildung, Keimwachstum, Korngrößenverteilung in Gussgefügen, Stranggießen
    von Aluminium
  o fest-fest-Phasenumwandlung: Gemeinsamkeiten und Unterschiede von flüssig-fest und fest-fest-Phasenumwandlung,
    heterogene Keimbildung an Gitterfehlern, Keimwachstum, Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder, Ostwald-
    Reifung, martensitische Umwandlungen
  o Zweistoffsysteme mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und im
    festen Zustand: Phasengebiete, Hebelgesetz, Ausbildung des Gefüges bei unterschiedlichen
    Abkühlgeschwindigkeiten, Korn- und Blockseigerungen
  o Zweistoffsysteme mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen Zustand und beschränkter
    Mischbarkeit der Komponenten im festen Zustand: Phasendiagramme mit Eutektikum bzw. mit Peritektikum,
    Phasengebiete, Hebelgesetz, eutektische bzw. peritektische Phasenumwandlung, Ausbildung des Gefüges
  o Al-Gusslegierungen vom Typ AlSi: Ausbildung des Gefüges unveredelter Legierungen beim Abkühlen, Problematik
    der groben Si-Kristalle im Gefüge und Diskussion der als Veredlung bezeichneten Gegenmaßnahmen
  o Unlegierte Stähle: v,T-Diagramm und Allotropie des Eisens, Mischkristallbildung, Einlagerungsverbindungen,
    metastabiles Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, Erstarrung peritektischer und nahperitektischer Legierungen,
    Ausbildung des Gefüges eutektoider sowie unter- und übereutektoider Stähle bei langsamem Abkühlen, Mechanismus
    der Umwandlung des Austenits zu Perlit bzw. voreutektoidem Ferrit, Primär- und Sekundärkorngröße,
    gleichgewichtsferne Gefüge bei schneller Abkühlung, Umwandlung des Austenits zu Martensit, Bainit, ZTU-
    Schaubilder von unlegierten Stählen, Umwandlung des Martensits beim Anlassen, Wärmebehandlung „Vergüten“

[letzte Änderung 11.08.2021]
Weitere Lehrmethoden und Medien:
Vorlesungen: Vortrag (darbietend), Demonstration (darbietend), Impulsunterricht mit eingebauten Phasen der Selbsterfahrung naturwissenschaftlicher Zusammenhänge mittels in Gruppenarbeit durchgeführter Versuche in Anlehnung an die Erlebnispädagogik (erarbeitend und reflektierend), Unterrichtsgespräch (erarbeitend) insbesondere zur ganzheitlichen Betrachtung einer Problemstellung aus naturwissenschaftlich-technischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sichtweise, Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)
Übungen: Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)

[letzte Änderung 11.08.2021]
Sonstige Informationen:
Verwendung des Moduls in anderen Studiengängen:
 
Das Modul wird im Studiengang „Maschinenbau – Produktionstechnik“ und im Studiengang „Wirtschaftsingenieurwesen – Produktionsmanagement“ verwendet. Unter Beachtung der maximalen Gruppengrößen kann die Vorlesung maximal zweizügig und die Übung maximal vierzügig pro Studienjahr angeboten werden.

[letzte Änderung 11.08.2021]
Literatur:
• P. A. Tipler, G. Mosca: Physik für Wissenschaftlicher und Ingenieure (Springer)
• H.D. Baehr, St. Kabelac: Thermodynamik – Grundlagen und technische Anwendung (Springer)
• F. Bosnjakovic, K.F. Knoche: Technische Thermodynamik – Teil I (Springer)
• G. Cerbe, G. Wilhelms: Technische Thermodynamik – Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen (Carl
  Hanser Verlag)
• D. Flottmann, D. Forst, H. Roßweg: Chemie für Ingenieure (Springer)
• J. Hoinkis, E. Lindner: Chemie für Ingenieure (Wiley-VCH)
• W. Bergmann: Werkstofftechnik 1 (Carl Haser Verlag)

[letzte Änderung 11.08.2021]
[Wed Aug 10 11:11:10 CEST 2022, CKEY=agdt, BKEY=aswmpt, CID=DBMAB-160, LANGUAGE=de, DATE=10.08.2022]