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Höhere Thermodynamik und Fluidmechanik

Modulbezeichnung:
Bezeichnung des Moduls innerhalb des Studiengangs. Sie soll eine präzise und verständliche Überschrift des Modulinhalts darstellen.
Höhere Thermodynamik und Fluidmechanik
Studiengang:
Studiengang mit Beginn der Gültigkeit der betreffenden ASPO-Anlage/Studienordnung des Studiengangs, in dem dieses Modul zum Studienprogramm gehört (=Start der ersten Erstsemester-Kohorte, die nach dieser Ordnung studiert).
Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021
Code: DBMAB-320
SWS/Lehrform:
Die Anzahl der Semesterwochenstunden (SWS) wird als Zusammensetzung von Vorlesungsstunden (V), Übungsstunden (U), Praktikumsstunden (P) oder Projektarbeitsstunden (PA) angegeben. Beispielsweise besteht eine Veranstaltung der Form 2V+2U aus 2 Vorlesungsstunden und 2 Übungsstunden pro Woche.
-
ECTS-Punkte:
Die Anzahl der Punkte nach ECTS (Leistungspunkte, Kreditpunkte), die dem Studierenden bei erfolgreicher Ableistung des Moduls gutgeschrieben werden. Die ECTS-Punkte entscheiden über die Gewichtung des Fachs bei der Berechnung der Durchschnittsnote im Abschlusszeugnis. Jedem ECTS-Punkt entsprechen 30 studentische Arbeitsstunden (Anwesenheit, Vor- und Nachbereitung, Prüfungsvorbereitung, ggfs. Zeit zur Bearbeitung eines Projekts), verteilt über die gesamte Zeit des Semesters (26 Wochen).
5
Studienjahr: 3
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
Benotete Modulklausur (Dauer 120 Min., 100 Pkt.).
Die Klausur wird im 6. Semester (Block 6A) gemäß Prüfungsplan geschrieben.
 
Voraussetzungen für die Vergabe von Kreditpunkten:
Erreichen von mindestens 40 von 100 Punkten in der Modulklausur.
Die Modulnote entspricht der Leistung in der Modulklausur und wird als Dezimalnote gemäß HTW-Notenschema ausgewiesen.


[letzte Änderung 02.02.2023]
Verwendbarkeit / Zuordnung zum Curriculum:
Alle Studienprogramme, die das Modul enthalten mit Jahresangabe der entsprechenden Studienordnung / ASPO-Anlage.

DBMAB-320 Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021 , 3. Studienjahr, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Der Arbeitsaufwand des Studierenden, der für das erfolgreiche Absolvieren eines Moduls notwendig ist, ergibt sich aus den ECTS-Punkten. Jeder ECTS-Punkt steht in der Regel für 30 Arbeitsstunden. Die Arbeitsstunden umfassen Präsenzzeit (in den Vorlesungswochen), Vor- und Nachbereitung der Vorlesung, ggfs. Abfassung einer Projektarbeit und die Vorbereitung auf die Prüfung.

Die ECTS beziehen sich auf die gesamte formale Semesterdauer (01.04.-30.09. im Sommersemester, 01.10.-31.03. im Wintersemester).
Der Gesamtaufwand des Moduls beträgt 150 Arbeitsstunden.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
DBMAB-130 Naturwissenschaftliche Grundlagen
DBMAB-140 Technische Mechanik 1
DBMAB-150 Technische Mechanik 2
DBMAB-160 Grundlagen der Thermodynamik
DBMAB-310 Thermodynamik der Apparate und Maschinen


[letzte Änderung 02.02.2023]
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:
„Höhere Thermodynamik und Fluidmechanik“ ist ein interdisziplinäres Modul an der Schnittstelle zwischen Physik, Chemie, Energie-, Verfahrens- und Werkstofftechnik.
 
Die Studierenden beherrschen die Grundlagen der Thermodynamik von Mehrkomponentensystemen (Gemische ideale Gase, Luft-Wasserdampf-Gemische, reale Mischungen, verfahrenstechnische Grundlagen des Siedens und Kondensierens) sowie der chemischen Gleichgewichtsthermodynamik (chemisches und elektrochemisches Gleichgewicht) und können diese zur Lösung konkreter Probleme anwenden. Sie verstehen thermodynamische Phänomene (z.B. Sieden, Kondensieren, Adsorption), Kon-zepte (z.B. chemisches Potential) und Zusammenhänge (z.B. kolligative Eigenschaften von Lösungen) sowie das Prinzip des chemischen Gleichgewichtes, dessen Beeinflussung durch Änderung von Konzentration, Druck und Temperatur und dessen Anwendung auf Gasgleichgleichgewichte und Gleichgewichte in wässrigen Lösungen.
 
Die Studierenden verfügen über die physikalischen Grundlagen der Fluidmechanik (Eigenschaften von Fluiden, Hydrostatik, Aerostatik, Fluiddynamik inkompressibler, idealer und realer Fluide, Einführung in die Rohrhydraulik) und können unter Anwendung mathematischer Methoden strömungsmechanische Fragestellungen selbstständig beantworten. Es ist ihnen möglich, einfache ingenieurwissenschaftliche Probleme auf diesem Gebiet zu analysieren, auf die physikalischen Grundprinzipien zu reduzieren, und zielgerichtet Lösungen zu erarbeiten, so dass sie einfache Maschinen und Systeme mit strömenden Medien konzipieren können.
 
Das Modul „Höhere Thermodynamik und Fluidmechanik“ dient der Erweiterung und der Stärkung der fachlichen Kompetenz „Wissen und Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der instrumentalen Kompe-tenz. Zusammen mit den Modulen „Naturwissenschaftliche Grundlagen“, „Technische Mechanik-1 bis 3“, „Grundlagen der Thermodynamik“, „Thermodynamik der Apparate und Maschinen“, „Elektrotechnik – Grundlagen und elektrische Antriebssysteme“ ist jetzt die Grundlage für die systemischen Kompe-tenzen geschaffen, relevante Informationen auf dem Gebiet der Energie- und Verfahrenstechnik zu sammeln, zu bewerten und zu interpretieren, sowie weiterführende Lernprozesse selbstständig zu gestalten. Dadurch sind die Studierenden auch in der Lage, eine interdisziplinäre Problem- und Aufgabenstellung mittlerer Komplexität an der Schnittstelle zwischen Physik, Chemie, Energie-, Verfahrens- und Werkstofftechnik selbstständig und mit wissenschaftlichen Mitteln zu bearbeiten und zu lösen.

[letzte Änderung 02.02.2023]
Inhalt:
Höhere Thermodynamik:
• Gemische idealer Gase: Zusammensetzung, Konzentration, Zustandsgleichung, Gaskonstante, innere Energie, Enthalpie, Wärmekapazitäten, Entropie, Exergie
• Luft-Wasserdampf-Gemisch/Feuchte Luft: Konzentrationsmaße, Zustandsgrößen (Dichte, Enthalpie), h,x-Diagramm nach Mollier, Erwärmen und Kühlen bei konstantem Dampfgehalt, Trocknung feuchter Luft, adiabate Vermischung zweier feuchter Luftströme, Zugabe von Flüssigkeiten/Dampf zu feuchter Luft, Verdunstungskühlung
• Sieden und Kondensieren: T,x-Diagramm, p,x-Diagramm, Gemische mit azeotropem Punkt, Enthalpie-Konzentrations-Diagramm
• Reale Mischungen: Chemisches Potential, Gibbs-Duhem-Gleichung, Aktivität, Gaslöslichkeit nach Henry, kolligative Eigenschaften von Lösungen (Dampfdruckerniedrigung nach Raoult, Siedepunktserhöhung sowie Gefrierpunktserniedrigung nach Clausius-Clapeyron und Raoult, osmotischer Druck nach van’t Hoff)
• Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz: Mathematische Formulierung, chemisches Gleichgewicht als dynamisches Gleichgewicht, Gleichgewichtskonstante (einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit), Prinzip vom kleinsten Zwang (nach le Chatelier), Beeinflussung der Lage des chemischen Gleichgewichtes durch Änderungen von Konzentration, Druck und Temperatur, homogene und heterogene Gasgleichgewichte
• Gleichgewichte in wässrigen Lösungen: Ionenprodukt des Wassers, pH-Wert und dessen Berech-nung für starke und schwache Säuren und Basen, Säure- und Basenkonstante, Dissoziations-konstante und -grad, Verdünnungsgesetz nach Ostwald, ein- und mehrprotonige Säuren, Kohlensäuregleichgewicht, Pufferlösungen, pH-Farbindikatoren, Säure-Base-Titration, Fällungstitration, Redoxtitration, saure und alkalische Reaktionen von Salzen
• Löslichkeitsprodukt: Mathematische Formulierung, gesättigte und übersättigte Lösungen, Verteilungsgleichgewichte
• Adsorptionsvorgänge: Chemi- und Physisorption, Langmuir’sche Adsorptionsisotherme
• Elektrochemisches Gleichgewicht: Komplizierte Redoxgleichungen, Redoxreihe, galvanisches Element, Daniell-Element, Standardwasserstoffelektrode, Standardpotential, elektrochemische Spannungsreihe
 
Fluidmechanik:
• Eigenschaften von Fluiden
  o Ideale und reale Fluide
  o Kompressibilität und Inkompressibilität
  o Viskosität (dynamisch, kinematisch)
  o Fließverhalten in Abhängigkeit von Schergeschwindigkeit und Zeit
• Hydrostatik
  o Statischer Druck in Flüssigkeiten
  o Eulersches Grundgesetz
  o Druckverteilung in ruhenden Flüssigkeiten
  o Druckverteilung in rotierenden Flüssigkeiten
  o Druckverteilung auf ebene und auf gekrümmte Flächen
  o Hydrostatischer Auftrieb
  o Geodätische Saughöhe
• Aerostatik
  o Höhenabhängigkeit des Luftdruckes
  o Auftrieb in Gasen
• Fluiddynamik (Schwerpunkt: Inkompressible Fluide)
  o Stromfadentheorie
  o Kontinuitätsgleichung
  o Bernoulli-Gleichung für ideale Flüssigkeiten
  o Anwendungen der Grundgleichungen:
    - Prandtlsches Staurohr
    - Venturi-Rohr
    - Wasserstrahlpumpe
    - Ausfluss aus Behältern (ohne/mit Überdruck) sowie Bestimmung der Ausflusszeit, Ausfluss aus Behältern in ruhendes Wasser, Ausfluss aus Behältern mit scharfkantigen Öffnungen, Kavitation
  o Impuls- und Drallsatz: Grundlagen und Anwendungen z.B. zur Auslegung von Krümmern und Strömungsmaschinen
  o Reale Flüssigkeiten: Prandtl-Grenzschicht, Stokesches Reibungsgesetz, Bernoulli-Gleichung für reale Flüssigkeiten, Carnotscher Stoßverlust, Druckverlustzahl
  o Einführung in die Rohrhydraulik: Geschwindigkeitsverteilung bei laminarer Rohrströmung, Gesetz von Hagen-Poiseuille, Widerstandszahl, mittlere Geschwindigkeit, Reynoldszahl, turbulente Rohrströmung
 


[letzte Änderung 02.02.2023]
Weitere Lehrmethoden und Medien:
Vorlesungen: Vortrag (darbietend), Demonstration (darbietend), Frage- und Impulsunterricht (erarbei-tend), Unterrichtsgespräch (erarbeitend) insb. zur ganzheitlichen Betrachtung einer Problemstellung aus naturwissenschaftlich-technischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sichtweise, Bearbei-tung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)
Übungen: Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)


[letzte Änderung 02.02.2023]
Literatur:
• 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)
• P. W. Atkins, J. de Paula: Physikalische Chemie (Wiley-VCH)
• Gross, Hauger, Schnell, Wriggers: Technische Mechanik 4, Springer
• Jirka, Gerhard H.: Einführung in die Hydromechanik, Universitätsverlag Karlsruhe
• H. Sigloch: Technische Fluidmechanik, Springer Vieweg


[letzte Änderung 02.02.2023]
[Wed Feb  8 07:14:25 CET 2023, CKEY=ahtuf, BKEY=aswmpt, CID=DBMAB-320, LANGUAGE=de, DATE=08.02.2023]