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Wir werden spater, aus guten Grunden, der einen den Vorzug geben,
im Augenblick mussen wir uns mit beiden auseinander- etzen. Die
altere und naivere Anwendung bezieht sich auf N wirklich
existierende physikalische Systeme, die in wirklicher
physikalischer Wechselwirkung miteinander stehen, also z. B.
Gasmolekule oder Elektronen oder Plancksche Oszillatoren oder
Freiheitsgrade (AtherosziIlatoren) eines "Hohlraumes". Aile N
zusammen stellen das betrachtete wirkliche physikalische System
dar. Dieser ursprungliche Gesichtspunkt ist an die Namen von
MAXWELL, BOLTZMANN und anderen geknupft. Er genugt aber nur zur
Behandlung einer sehr beschriinkten Klasse von physikalischen
Systemen - in der Tat nur der Gase. Er ist nicht auf ein System
anwendbar, das nicht aus einer groBen Anzahl identischer
Bestandteile mit "privaten" Ener- gien zusammengesetzt ist. In
einem festen Korper ist die Wech- selwirkung zwischen Nachbaratomen
so stark, daB man auch nicht gedanklich seine Gesamtenergie in die
Privatenergien seiner Atome aufteilen kann, ja schon ein "Hohlraum"
(ein "Atherblock" als Sitz der Vorgange im elektromagnetischen
Felde) laBt sich nur in OsziIlatoren von vielen - unendlich vie-
len - verschiedenen Arten auflosen, so daB es mindestens not- wen
dig ware, mit einer Gesamtheit von unendlich vielen ver- schiedenen
(weil aus verschiedenen Bestandteilen bestehenden) Gesamtheiten zu
arbeiten.
1m Lehrbetrieb del' theoretit;chen Physik (und nieht nul' diesel')
werden augenscheinlieh Behauptungen mathe- matiseh-physikalisehen
odeI' ahnlichen Inhalts und ein- gefloehtene historisehe
Bemerkungen mit durehaus unter- sehiedliehel' Sorgfalt behandelt.
1m ersten Fall wird der Dozent, sofel'll er den Anspruch erhebt,
serios zu sein, in der Regel niehts vortragen, von dessen
Richtigkeit er sieh nicht vorher pers6nlich iiberzeugt hatte,
obwohl er dabei im allgemeinen die Darlegungen del' Lehrbticher
bestatigt findet. Historisehe Bemerkungen hingegen wer- den nul'
allzu oft kritiklos von den Lehrel'll libernommen und an die
Schuler weitergetragen, obwohl ein Blick in die Quellen zeigen
wurde, daB es sich in del' Regel urn Gesehiehtslegenden handelt.
Als ieh aus Anla13 des 75. J ubilaums der PLANcKschen
Quantenhypothese einen Gedenkvortrag konzipiel'te, wllrde mil' das
delltlich bewul3t, und ieh fiihIte mich bewogen, das
Quellenstlldium auf die Vorgeschichte auszudehllen. Sie beinhaltet
die Entwieklung der Warmestrahlungstheorie, die im Zeit- mum von
1860 bis 1900 erfolgte und durch die Namen KIRCHHOFF, BOLTZMANN, W.
WIEN, RAYLEIGH und PLANCK gekennzeichnet ist. Aus del'
Besehaftigung mit den Werken diesel' groBen Physiker hat sieh dann
im Laufe der Zeit das vorliegende Biichlein entwickelt. Seine
wissenschaftshistorische Pratention ist be- seheiden. Wir hoffen,
wenigstens die gr6bsten der gangigen Irrttimer libel' den
historisehen Saehverhalt riehtigge- stellt zu haben. Jedoch war
kein Platz, urn auf dem all- gemeinen gesellsehaftlichen und
physikgesehiehtliehen Hintergrllnd das personliche Sehicksal, den
personlichen 4 Vorwort StH der erwahnten Forscher abzuheben und
ihren Bei- trag zum wissenschaftlichen Fortschritt allseitig zu
wtirdigen.
The properties of metals are determined by their structures which
are produced or altered by transformation reactions. If the
formation and preservation of these structures shall be control ed,
the driving forces of the transformations must be known
quantitatively. An estimate of these forces can be made by means of
the thermodynamics of alloys. In detail it is shown that by
suitable experiments the interatomic forces in alloys can be
estimated; with these data and with the aid of simple statistical
model calculations the ordered orland decomposed states in solid
solution can be predicted. These states influence substantially the
stabilities of the different structures in solid solutions; hence
also predictions on trans- formations from one structure to another
one can be made. Such theoretical results are compared with
corresponding experimental data. Finally an ap- plication of the
results to a technological problem is presented. Thermodynamik der
Eisenmischkristalle 17 WEIGHT PERCENT TITANIUM 10 20 30 40 50 60 70
80 90, II I I I I I II 1117, . L 0 1700' 1665 bfi 0 '16 i..o-'7 160
- . 15'30" 1562 (r-Fe )., a-Fe) f"! 1- /, n 140 1358', (,9-Ti) . I
e 8 "'J - ..: .
At the heart of many fields - physics, chemistry, engineering -
lies thermodynamics. While this science plays a critical role in
determining the boundary between what is and is not possible in the
natural world, it occurs to many as an indecipherable black box,
thus making the subject a challenge to learn. Two obstacles
contribute to this situation, the first being the disconnect
between the fundamental theories and the underlying physics and the
second being the confusing concepts and terminologies involved with
the theories. While one needn't confront either of these two
obstacles to successfully use thermodynamics to solve real
problems, overcoming both provides access to a greater intuitive
sense of the problems and more confidence, more strength, and more
creativity in solving them. This book offers an original
perspective on thermodynamic science and history based on the three
approaches of a practicing engineer, academician, and historian.
The book synthesises and gathers into one accessible volume a
strategic range of foundational topics involving the atomic theory,
energy, entropy, and the laws of thermodynamics.
6.2 Theoretische Grundlagen 6.2.1 EinfUhrung 6.2.2 Voraussetzungen
6.2.3 Die Stromfadengeschwindigkeit 6.3 Das N herungsverfahren von
Oswatitsch und Rothstein zur Berechnung.der
Geschwindigkeitsverteilung 6.4 Das Grenzschicht-N herungsverfahren
"Walz II" 6.4.1 Programmablauf Grenzschichtrechnung 6.4.2
Anmerkungen zu den Unterprogrammen 6.5 Geschwindigkeitsverteilung
6.6 Grenzschicht 6.7 Handhabung der Programme 6.8 Ergebnisse 7.
Auslegung der ZweikreisdUse 8. Zusammenfassung 9.
Literaturverzeichnis 10. Bildanhang - 1 - 1. Einleitung Das
vorliegende Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, die Voraus-
setzungen fUr gasdynamische Anpassung von SchubdUsen bei Uber-
kritischer Expansion durch Strahlbeimischung hinter dem engster
Querschnitt zu untersuchen. Ferner soll der Einflue der Tempe-
ratur bei der Anpassung geprUft werden. Zur Erzeugung maximalen
Schubes mue am DUsenaustritt homogene parallele AbstBmung
herrschen. Diese ParallelabstBmung l et sich fUr ein bestimmtes
anliegendes Druckverh ltnis durch ent- sprechend geometrische
Gestaltung von DUsenkontur, Hals- und Austrittsquerschnitt bei
Entspannung bis auf den Umgebungs- durck (PA = po) erreichen. Diese
schuboptimale DUse wird als ide ale DUse bezeichnet.
Die theoretische Bestimmung von warmespannungen in zusammenge-
setzten Strukturen bei instationaren Temperaturverteilungen ist
nicht nur durch den Flugzeugbau, sondern auch in weiten Bereichen
des allgemeinen Maschinenbaus notwendig geworden. Standig steigende
Leistungsforderungen mach en es unumganglich, auch die
thermisch-mechanischen Moglichkeiten voll auszuschop- fen und
rechnerisch Grenzen zu ermitteln. Das Hauptaugenmerk sollte bei der
Rechenmethode jedoch auf der einfachen ingenieur- maBigen
Anwendbarkeit liegen und sollte als Modell physikalisch anschaulich
seine Die rasante Entwicklung der Computertechnik hat es in den
letzten Jahren moglich gemacht, immer umfangrei- chere Programme zu
rechnen. Die standige Komplizierung der Theorien zu den Programmen
macht es oft schwer, sich bei der Anwendung eine klare Vorstellung
von den zugrundeliegenden phy- sikalischen Vorgangen zu
verschaffen. Schon die Interpretation von "black box"-Ergebnissen
ist risikovoll, wenn keine inge- nieurmaBige Vorstellung tiber die
GroBenordnung und den Charak- ter der Ergebnisse durch einfache
Modelle besteht. Bei thermoelastischen Problemen hat sich besonders
ftir prakti- sche Anwendungsfalle die anschauliche Idee des
"thermischen Balkens" entwickelt. Die anfanglich sehr einfachen
Rechenmo- delle mit quasi-eindimensionaler Warmeleitung waren aus
der Not- wendigkeit eines moglichst geringen Rechenaufwandes
entstan- den([111, l12], l13]). Die heutigen Rechner bieten dagegen
ohne Schwierigkeiten eine wesentliche Steigerung des numerischen
Auf- wandes. Es haben sich mit diesen neuen Moglichkeiten spezielle
numerische Verfahren durchgesetzt. Insbesondere sind dazu die
Differenzenverfahren zu rechnen.
Warmelibertragung, Impuls- und Stoffaustausch sind in indu-
striellen Feuerungen von liberragender Bedeutung, so daB die
Kenntnis der Temperatur-, Geschwindigkeits- und Konzentra-
tionsfelder in Ofenraumen von groBem Interesse ist. Sie er-
moglicht Rlickschllisse auf Mischungs- und Verbrennungsvorgange und
die damit zusammenhangenden Probleme der Temperaturver- teilung im
Warmgut und im Of en inner en (Arbeitsraum) sowie auf die ebenfalls
bedeutsamen Druckverhaltnisse. Mathematisch werden aIle drei
Transportvorgange durch ahnlich aufgebaute Differentialgleichungen
beschrieben, deren mathe- matische Behandlung groBe Schwierigkeiten
bereitet. Bislang ist es erst flir wenige ausgezeichnete FaIle
gelungen, zufrie- denstellende Losungen anzugeben. Es liegt deshalb
nahe, experi- mentell vorzugehen. Die unmittelbare Messung vieler
EinfluBgroBen stoBt haufig jedoch auf schwierige technische
Probleme, sei es auf Grund oft groBer raumlicher Ausdehnung, hoher
Betriebstemperatur, schlechter Zuganglichkeit oder von Ahnlichem.
Modellversuche bieten sich als Ausweg an, da sie mit
vergleichsweise geringem Aufwand zu aufschluBreichen Ergebnissen
flihren konnen. Dieser Weg wurde im Ausland schon in den 20iger
Jahren be- schritten aber erst Rummel [21] *) hat ein Jahrzehnt
spater mit seinen grundlegenden Arbeiten tiber die
Mischungsvorgange die Verbindung geknUpft zwischen Stromungs- und
Verbrennungs- erscheinungen in industriellen Feuerungen. Er
begrlindete auch die Theorie der sogenannten "kalten"
Modellversuche und zeigte, daB solche Untersuchungen trotz starker
Vereinfachung der Modelltechnik gute Ubereinstimmung mit
Ergebnissen an den Ori- ginalen ergaben.
Eine vergleichende Gegenuberstellung der gemessenen und berechneten
Kohlenstoffaktivitat der festen, reinen Eisen-Kohlenstoff-Legierung
ist nach einer erneuten, thermodynamisch begrundeten Auswertung bis
hin zum UberschuBanteil der Entropie die Auswertungsbasis fUr die
Bestimmung der partiellen energetischen GraBen des Kohlenstoffs.
Vorhandene Unterschiede im Experiment besonders aber in der sich
anschlieBenden Auswertungsm ethode zum angelsachsischen Schrifttum
wurden aufgezeigt. Die in der eigenen Auswertung anfallenden
energetischen GraBen des Kohlenstoffs werden als
konzentrationsabhangig, aber temperatur - abhangig erkannt. - 24 -
Literaturangaben 1. J. K. Rao und B. P. Jalan: Metallg. Trans. 1972
vol. 3 S. 2465/77 2. She Ban"ya, J. F. Elliott und J. Chipman:
Trans. TMS - AIME 1969 vol. 245 S. 1199/1206 3. . L. S. Darken und
R. P. Smith: J. Am. Chern. Soc. 1946 vol. 68 S. 1172/75 4. R. H.
Fowler und E. A. Guggenheim: Statistical Thermodynamics, The Mc.
Millan Co. New York 1939 5. J. Chipman und E. F. Brush: Trans. TMS
-AIME 1968 vol. 242 S. 35/41 6. L. S. Darken: Trans. TMS - AIME
1967 vol. 239 S. 80/89 7. S. Tackeuchl und S. Kachi: Sci. Rept.
Res. Inst. TohokuUniv. Serie A 1950 vol. 2 S. 691/718 8. D. R.
Poirier: Trans TMS AIME 1968 vol. 2 S. 685/90 9. L. Kaufman, S. V.
Radcliffe und M. Cohen: AIME Symposium on Decomposition of
Austenit/V. Zackay Ed. 1962 S. 313/52 10. R. Speiser und J. W.
Spretnak: Trans. ASM 1955 vol. 47 S. 493/507 11. E. ScheH: Archlv
Eisenhtitt. 1960 vol. 22 S. 37/52 12. M. Temkin und L.
1m Hinblick auf den in der Fachliteratur widersprUchlich
angegebenen in- kongruenten bzw. kongruenten Schmelzpunkt von
Mullit, sollte in der vor- liegenden Arbeit das Schmelzverhalten
des Mullits in normaler Atmosphare erneut untersucht werden. Dazu
wurden Schmelzversuche sowohl mit Mischungen aus 72 bis 80 Gew. 0/0
A1 0 und 28 bis 20 1'0 Si0 als auch mit synthetischen 2: I-Mulliten
im Tem- 2 3 2 0 0 peraturbereich von 1820 bis 1970 C durchgefUhrt.
Die Festlegung der Ver- suchsparameter erfolgte in der Weise, da13
sich in der Probe moglichst schnell ein thermodynamisches
Gleichgewicht einstellte und au13erdem eine partielle Reduktion
vermieden wurde. Der Phasenbestand wurde vornehm- lich am
abgeschreckten Probenmaterial mit Methoden der Rontgenbeugung sowie
der Auf- und Durchlichtmikroskopie ermittelt. Das Auftreten Von
Korund - als Kriterium fUr ein inkongruentes Schmelzel. des Mullits
- konnte nur beobachtet werden, wenn die Ausgangsmischungen mehr Al
0 enthielten als dem 2:1-Mullit als Al 0 -reichster Verbin- 2 3 2 3
dung entsprach. Somit ist das Schmelzverhalten von Mullit auch in
Luft un- ter Atmospharendruck kongruent. Die Versuchsergebnisse
bestatigen die Angaben von Aramaki und Roy, die A1 0 /Si0
-Mischungen in geschlossenen Edelmetallbehaltern erhitzten und 3 2
2 0 fUr den Mullit einen kongruEmten Schmelzpunkt bei 1850 C
feststellten.
E. Wicke hat Uberzeugend dargelegt, daB die technische Geschwin-
digkeit von Heterogenreaktionen nach physikalisch-chemischen
Methoden und Gesichtspunkten behandelt werden kann, wenn die
chemischen Geschwindigkeitsgleichungen mit den Gleichungen des
Stoff- und Warmetransports Uberlagert werden. Diese Methode wird
nachstehend auf isotherme Systeme mit Reak- tionen erster Ordnung
angewendet. Die Systeme bestehen aus SchUttungen kompakter oder
poraser Korner, die ihrerseits che- misch homogen bzw. aus einem
indifferenten StUtzmaterial aufge- baut sind, des sen Poren mit
einer chemisch reagierenden Kompo- nente ausgefUllt sind. Das
fluide Medium ist ein Gas oder eine F1Ussigkeit. Die SchUttung wird
Uber- oder durchstramt. Die Be- schrankung auf isotherme Reaktionen
erster Ordnung gestattet eine verhaltnismaBig einfache
mathematische Behandlung und RUck- GBPUhrung aller simultanen
Differentialgleichungen auf quadrier- bare Formen. Die bewuBte
Beschrankung auf integrable Probleme bezweckt eine durchsichtige
physikalisch-chemische Interpreta- tion der Endformeln. Die
theoretischen Uberlegungen flihren zu vier Grundtypen isothermer
Heterogenreaktionen erster Ordnung, die unter dem Gesichtspunkt der
technischen Anwendung auch ex- perimentell untersucht wurden. Das
gesamte Versuchsprogramm wurde wahrend der Jahre 1961 bis 1968 am
Lehrstuhl fUr Metallurgie der Kernbrennstoffe und Theo- retische
HUttenkunde in sechs koordinierten Einzeluntersuchun- gen in
Zusammenarbeit mit Frau Dr.-Ing. Strathmann, geb. Schem- mell, und
den Herren Dr.-Ing. I. Barin, Dr.-Ing. R. Harbe, Dr.- Ing. R.
Rotterdam, Dr.-Ing. D. Seegert, Dr.-Ing. G. Weinhold und Dr.-Ing.
R. Wetzel durchgefUhrt, in deren Namen wir die Er- gebnisse
vorlegen.
Beim W rmen von Stahl auf hohere Temperaturen, wie sie fUr das
Schmieden von Stahl benotigt werden, tritt auoh in gut geregelten
direkt brennstoffbeheizten Of en normalerweise ein Verzundern des W
rmgutes ein, das durchschnittlioh 2 des Einsatzgewichtes betr gt.
Bei einer Masse von etwa 900 000 t GesenkschmiedestUcken, die in
Deutschland j hrlioh hergestellt werden, bedeutet das einen zus
tzlichen Stahlverbrauch von rund 20 000 t. Neben diesem
Werkstoffverlust ist mit einer Sch digung des Ofenmauerwerks, einer
Erhohung des Gesenkver- schleiSes und einer Beeintr chtigung der
SchmiedestUokober- fl che sowie der MaShaltigkeit zu reohnen.
AuSerdem kommt ea im allgemeinen zu einer gleichermaBen
unerwUnsohten Randent- kohlung der Erzeugnisse, die bei naohtr
glichem Harten eine Weichhautbildung zur Folge hat und die
WerkstoffgUte herab- setzt. Die genannten Auswirkungen der
Verzunderung und Entkohlung uBern sich in einer GUte- und
Lebensdauerverminderung der Of en und Gesenke sowie in hoherem
AusschuB bei den Sohmiede- stUcken. Die dadurch entstehenden Kosten
werden noch stark vergroSert durch die Arbeitsg ge zum
Zunderentfernen vor und nach dem Schmieden und die MaSnahmen zum
Beseitigen der Randentkohlung. Die Verzun erung und Randentkohlung
atellen also insgesamt einen erheblichen Kostenfaktor da, besonders
beim mehrfachen und langzeitigen W rmen und beim Schmieden von
hoher- und hochlegierten St hlen, so daB es berechtigt erscheint,
mit Nachdruck nach Moglichkeiten zur Vermeidung der Oxydation beim
W rmen von Gesenkschmiederohlingen zu suchen. 2. Ziel und
Abgrenzung der Aufgabe Ein oxydationsarmes W rmen ist Uber die
EinfluSgroSen der Verzunderung und Entkohlung - die Ofenatmosph re,
die Ver- weilzeit im Of en, die Temperatur, den Werkstoff und die
Werkstoffoberfl che - zu erreichen.
Low-Grade Thermal Energy Harvesting: Advances in Thermoelectrics,
Materials, and Emerging Applications provides readers with
fundamental and key concepts surrounding low-grade thermal energy
conversion while also reviewing the latest research directions. The
book covers the most promising and emerging technologies for
low-grade heat recovery, harvesting and conversion, including
wearable thermoelectrics and organic thermoelectrics. Each chapter
includes key materials, principles, design and fabrication
strategies for low-grade heat recovery. Special attention on
emerging materials such as organic composites, 2D materials and
nanomaterials are also included. The book emphasizes materials and
device structures that enable the powering of wearable electronics
and consumer electronics. The book is suitable for materials
scientists and engineers in academia and R&D in manufacturing,
industry, energy and electronics.
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