WÄRMEKRAFTMASCHINEN TECHNISCHE NUTZUNG DER INNEREN ENERGIE

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1 WÄRMEKRAFTMASCHINEN TECHNISCHE NUTZUNG DER INNEREN ENERGIE Die in Natur r Verfügung stehende mechanische Energie kann häufig technisch genutzt werden Bei Windmühlen wird die kinetische Energie der Luft m Antrieb der Mahlsteine benutzt, an einem Fluss die kinetische Energie des Wassers m Antreiben von Wasserrädern Diese Maschinen haben jedoch zwei wesentliche Nachteile Zum einen können sie nur dort aufgestellt werden, wo die Natur im ausreichenden Maß Energie in Form von Wind und Wasser r Verfügung stellt Zum andern steht die von der Natur r Verfügung gestellte technisch nutzbare mechanische Energie nur im begrenzten Maß r Verfügung Der Standortnachteil tritt bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie m Beispiel Holz, Kohle oder Erdöl nicht auf Durch die Verbrennung kann an jedem Ort beliebig viel innere Energie r Verfügung gestellt werden, die m Teil in mechanische Energie umgewandelt werden kann Die Verbrennung fossiler Brennstoffe hat aber auch Nachteile So ist m Beispiel das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxyd m Teil für den Treibhauseffekt verantwortlich Außerdem ist der Energiebedarf auf der Erde inzwischen so sehr angestiegen, dass auch die fossilen Brennstoffe in absehbarer Zeit Ende gehen werden Im Folgenden wird erläutert, wie in Wärmekraftmaschinen die bei Verbrennung gewonnene innere Energie in mechanische Energie umwandelt werden kann 1 DIE PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER WÄRMEKRAFTMASCHINEN DAS PERPETUUM MOBILE ZWEITER ART Alle Wärmekraftmaschinen arbeiten nach dem gleichen Prinzip: Gewichtsstück Zuerst wird an ein Gas kurzzeitig Wärme übertragen (siehe Abb) Dadurch erhöht sich seine innere Energie und damit auch die Temperatur des Gases Der Druck des Gases steigt an Das Gas drückt den Kolben nach oben Durch das Verschieben des Kolbens leistet das Gas Arbeit Ein Teil der inneren Energie des Gases geht in mechanische Energie des Kolbens über Mit der inneren Energie nimmt auch die Temperatur des Gases ab Je höher die Temperatur des erwärmten Gases ist, desto weiter und schneller wird der Kolben heraus gedrückt Das ist einleuchtend, denn je höher die Temperatur, desto höher ist auch die innere Energie im Gas Ideales Gas Kolben Bunsenbrenner Bei einer Maschine will man aber nicht nur eine einmalige Verschiebung des Kolbens haben, sondern einen periodischen Vorgang Da kühlt man das Gas mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit ab (siehe Abb) Der Druck des Gases nimmt ab Da nun der von außen auf den Kolben wirkende Druck größer ist als der Druck des Gases, wird der Kolben wieder rückgedrängt Je geringer die Temperatur des abgekühlten Gases ist, desto weiter schiebt sich der Kolben in den Zylinder rück Nun kann der gesamte Prozess wieder von vorne beginnen Wir haben damit eine periodisch arbeitende Maschine erhalten, die einen Teil der ihr geführten innere Energie in mechanische Energie umwandelt Der Rest wird in Form von Abwärme an die Kühlflüssigkeit abgegeben Ideales Gas Kühlwasser g:\d1\expsem\esem_mat_gem\waermelehre\waermekraftmaschinendocx Seite 1 von 6

2 Seite 2 von 6 geführte innere Energie Wärmekraftmaschine mechanische Energie innere Energie (Abwärme) innere Energie und Reibung (Abwärme) In diesem Zusammenhang ist es besonders wichtig erkennen, dass jede Wärmekraftmaschine, um periodisch arbeiten können, innere Energie in Form von Abwärme abgibt Ohne die Energieabgabe bei der Abkühlung würde sich nämlich der Kolben nicht von selbst in seine ursprüngliche Lage rückbewegen Die Abwärme kann aufgrund ihrer geringen Temperatur nicht mehr r anschließenden Erwärmung des Gases im Kolben herangezogen werden Die innere Energie, die in der Abwärme steckt, kann von der Maschine also nicht genutzt werden Somit ist bei einer periodisch arbeitenden Wärmekraftmaschine eine vollständige Umwandlung von innerer Energie in mechanische Energie nicht möglich Das Verhältnis aus gewonnener mechanischer Energie und geführter innerer Energie nennt man den Wirkungsgrad η der Wärmekraftmaschine: η = mechanische Energie geführte innere Energie - (Abwärme und Reibung) = = 1 - geführte innere Energie geführte innere Energie Abwärme und Reibung geführte innere Energie Da bei einer periodisch arbeitenden Maschine die Rückführung des Kolbens immer mit der Entstehung von Abwärme verbunden ist (es fliest thermische Energie vom Gas m Kühlmittel), ist ihr Wirkungsgrad nach oben hin beschränkt Er ist somit immer kleiner als 1 Für die Beschränkung des Wirkungsgrades sind also nicht technische Unlänglichkeiten (also Reibungsverluste) verantwortlich, sondern eine Naturgesetzlichkeit Wir hatten festgestellt, dass der Kolben um so weiter heraus getrieben wird, je höher die Temperatur des erwärmten Gases im Kolben ist und dass der Kolben um so weiter in den Zylinder rückgedrängt wird, je geringer die Temperatur des abgekühlten Gases ist Das heißt aber, dass die von der Wärmekraftmaschine verrichtete Arbeit und damit auch ihr Wirkungsgrad um so größer ist, je höher die Temperaturdifferenz zwischen der höchsten und der geringsten Temperatur des Gases in dem Kolben ist Die Abwärme kann aufgrund ihrer geringen Temperatur nicht mehr m Antrieb der Wärmekraftmaschine benutzt werden Sie erwärmt die Umwelt Man sagt: Die durch die Abwärme technisch nicht genutzte innere Energie ist entwertet und spricht von Energieentwertung Eine periodisch arbeitende Maschine, die innere Energie vollständig in mechanische Energie umwandeln könnte, würde man Perpetuum mobile zweiter Art nennen Die vorstehenden Überlegungen zeigen also, dass ein Perpetuum mobile zweiter Art nicht existieren kann g:\d1\expsem\esem_mat_gem\waermelehre\waermekraftmaschinendocx

3 Seite 3 von 6 2 DIE DAMPFMASCHINE Die Dampfmaschine (Abb aus PM Heft Nr 2 / 1994) wurde Ende des 17 Jahrhunderts entwickelt Am 5 Januar 1769 erhielt der schottische Mechaniker James Watt das Patent für seine Dampfmaschine Sie läutete den Beginn der industriellen Revolution am Anfang des achtzehnten Jahrhunderts ein Die erste Dampfmaschine wurde da benutzt, um das Wasser aus den Kohlegruben pumpen Ihr Wirkungsgrad von 1 % war so schlecht, dass über sie gewitzelt wurde, man bräuchte für ihren Betrieb eine eigene Kohlengrube Eine genauere Betrachtung lohnt dennoch, weil sich an ihr sehr gut die teilweise Umwandlung von innerer Energie in mechanische Energie zeigen lässt Die folgenden Abbildungen zeigen den prinzipiellen Aufbau und die Funktionsweise einer atmosphärischen Dampfmaschine Dem Wasser im Glaskolben wird durch Verbrennung Wärme geführt Dadurch verdampft ein Teil des Wassers Der entstehende Wasserdampf drückt den Kolben des Kolbenprobers nach rechts Über eine feste Rolle wird ein Massenstück hochgehoben Dabei wird Hubarbeit verrichtet Das Gewichtsstück gewinnt Höhenenergie Innere Energie Wärme Ausdehnungsarbeit Chemische Energie Bunsenbrenner Höhenenergie Hubarbeit Wenn der Kolben des Kolbenprobers genügend weit nach rechts geschoben wurde führt man dem Wasser keine Wärme mehr Wenn man das Wasser im Glaskolben abkühlt, wird ihm Wärme entzogen Dadurch kondensiert der Wasserdampf, so dass in dem Glaskolben und dem Kolbenprober ein Unterdruck entsteht Daher schiebt der Atmospärendruck den Kolben wieder nach links Über eine feste Rolle wird das Massenstück wiederum hochgehoben Dabei wird Hubarbeit verrichtet Die atmosphärische Dampfmaschine hat ihren Namen aufgrund der Tatsache, dass der Atmosphärendruck den Kolben beim Abkühlvorgang in den Kolbenprober rückdrängt Wiederholt man den Vorgang des Erhitzens und des anschließenden Abkühlens immer wieder, erhält man eine periodisch arbeitende Maschine g:\d1\expsem\esem_mat_gem\waermelehre\waermekraftmaschinendocx

4 Seite 4 von 6 Und so funktioniert eine technische Ausführung der Dampfmaschine nach James Watt: Heisser Frischdampf wird aus einem Dampfkessel der Maschine geführt Ein kleiner Steuerkolben lässt Dampf nur auf die linke Seite des (grösseren) Arbeitskolbens strömen (s Abb) Dadurch wird dieser auf die rechte Seite gedrückt und versetzt ein Schwungrad in Bewegung Der Steuerkolben, der ebenfalls mit dem Schwungrad verbunden ist, klemmt die Dampffuhr m Arbeitskolben ab und öffnet die Dampffuhr auf die rechte Seite des Arbeitskolbens, wodurch sich dieser wieder nach links bewegt Das Ganze läuft dauernd so weiter Anmerken ist noch, dass durch den Steuerkolben jeweils in dem Moment, in welchem zb rechts die Dampffuhr geöffnet wird, links ein Kanal öffnet, durch den der sich noch im linken Teil befindliche Dampf nach aussen entweichen kann Dieser Kanal ist im Modell oben als Uförmige Aussparung erkennen Die Dampfmaschine nach diesem Prinzip erreicht einen Wirkungsgrad von bis 25% Physik in einem Band, Schroedel, S DIE DAMPFTURBINE: EIN EINFACHES PRINZIP HOCH AKTUELL Mittlerweile hat sich die Dampfmaschine als Arbeitsmaschine verabschiedet In großen Kraftwerken jedoch hat sich der Dampf als Arbeitsmedium weiterhin behaupten können So wird in Wärmekraftwerken, welchen unter anderem Kernkraftwerke, Kohlekraftwerke und Ölkraftwerke zählen, auf jeweils unterschiedliche Art Wasser m Verdampfen gebracht Der große Druck des Dampfes wird in allen diesen Kraftwerkstypen da genutzt, um eine Dampfturbine (s Abb) in Rotation versetzen In Kraftwerken sind dabei mehrere solche Turbinen hintereinander geschaltet Zuerst passiert der Dampf die Hochdruckturbine, danach die Niederdruckturbinen Wichtig ist hier (analog r Dampfmaschine), dass der Dampf hinter den Turbinen in einem Kondensator gekühlt wird Das heisst, in einem Kühler wird der Dampf abgekühlt, wobei dieser kondensiert Damit sinkt der Druck auf der Turbinenrückseite sätzlich Dies geschieht häufig mittels eines Kühlturms oder mit einer Kühlung in einem grossen, nahegelegenen Fluss Nur ein grosser Druckunter-schied zwischen Turbinenvorder- und rückseite erlaubt einen akzeptablen Wirkungsgrad Der Wirkungs-grad solcher Kraftwerke liegt heute bei etwas über 40% 4 DAS DÜSENTRIEBWERK: EINE FLIEGENDE WÄRMEARBEITSMASCHINE Das Düsentriebwerk kommt vorwiegend bei schweren und schnellen Flugzeugen m Einsatz, da der Wirkungsgrad eines Propellers bei Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit (ca 330m/s) stark abnimmt und herkömmliche Motoren bei grossem Leistungsbedarf schwer werden Der Wirkungsgrad eines Düsentriebwerk steht allerdings jenem eines Motors in jedem Fall nach, er erreicht nur knapp 25% Ein Nieder- und ein Hochdruck-kompressor (oder Verdichter) am Einlass des Triebwerks, bestehend aus mehreren rotierenden und festen Verdichterlaufrädern, presst die einströmende Luft in die Brenn-kammern, in welchen Treibstoff verbrannt wird und sich die Luft dadurch schlagartig erwärmt Die erhitzte Luft wird wegen der grossen Volumennahme nach hinten beschleunigt und treibt dabei die eigentliche Turbine (bestehend aus Hoch- und Nie- Niederdruckturbine) an, welche wiederum die auf der gleichen Welle montierten Nieder- und Hochdruckkompressoren vorne antreibt Der schnelle Luftstrom verlässt dann das Triebwerk nach hinten und drückt dadurch das Triebwerk (und alles, was daran festgemacht ist) nach vorne g:\d1\expsem\esem_mat_gem\waermelehre\waermekraftmaschinendocx JM Frey, Physik, (Lehrmittelverlag des Kantons Zürich, Zürich, 1 Ausgabe 1993)

5 Seite 5 von 6 5 DER RAKETENANTRIEB: PRIMITIV UND TROTZDEM LEISTUNGSFÄHIG Das Prinzip des Raketentriebwerks ist sehr einfach, wenn nicht schon fast primitiv Durch eine Verbrennung, welche möglichst viel Energie freisetzen soll, entstehen sehr hohe Temperaturen in einem Raum und damit eine sehr starke thermische, ungeordnete Molekularbewegung der Teilchen des Gases Öffnet man den Raum, indem die Verbrennungsreaktion abläuft, nur einer Seite, so wandelt sich die ungeordnete in teilweise geordnete Bewegung um (s Abbildung) Die gewaltige freigesetzte Energie lässt keine Defekte am Mantel des Raumes, denn schnell kann es einer Explosion und dann in alle Richtungen - kommen! Raketen sind wohl die ältesten Wärmearbeitsmaschinen überhaupt, so sollen bereits die Araber 1288 die spanische Stadt Valencia mit Raketen angegriffen haben 6 VERBRENNUNGSMOTOREN Bei Verbrennungsmotoren wird die bei der Verbrennung frei werdende innere Energie m Teil in mechanische Energie umgewandelt Beim Viertakt-Ottomotor unterscheidet man vier Arbeitstakte n t il z u u f f) A u s la ß - ve ntil Z ün d k e rz e au f E in la ß - ventil K o lb e n E in la ß v e (vo m V e rg 1 Ansaugtakt: Das vom Vergaser kommende Benzin-Luft- Gemisch wird durch das geöffnete Einlaßventil vom Kolben angesaugt 2 Verdichtungstakt: Nachdem das Einlaßventil geschlossen wurde, drückt der Kolben das Benzin-Luft-Gemisch sammen Dabei erwärmt sich das Benzin-Luft-Gemisch 3 Arbeitstakt: Das sammengedrückte Benzin-Luft-Gemisch wird von der Zündkerze entzündet Chemische Energie wird in innere Energie umgewandelt Das entstandene Verbrennungsgas hat aufgrund der hohen Temperatur einen großen Druck und drückt daher den Kolben wieder nach unten Dabei verrichtet das Verbrennungsgas Arbeit und verringert dadurch seine Temperatur 4 Auspufftakt: Das Verbrennungsgas wird wegen des sich nach oben bewegenden Kolbens, durch das geöffnete Auslaßventil in die Auspuffanlage gedrückt auf Anschließend beginnt der Vorgang mit dem Ansaugtakt von neuem Der Kolben ist mit der Kurbelwelle verbunden Diese setzt die Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um Da nur beim einem der vier Takte, nämlich dem Arbeitstakt, Arbeit verrichtet wird, würde ein Motor mit einem Ventil nicht gleichmäßig laufen Daher werden bei Autos mehrere Zylinder verwendet, deren Takte zeitlich gegeneinander versetzt sind g:\d1\expsem\esem_mat_gem\waermelehre\waermekraftmaschinendocx

6 Seite 6 von 6 Die nebenstehende Graphik zeigt das p-v-diagramm für den Otto-Motor Da die Fläche unter dem p-v-diagramm ein Maß für die vom bzw am Gas verrichtete Arbeit ist, lässt sich an diesem Diagramm auch die Verwertung der Inneren Energie sehr schön studieren In Phase 3 erfolgt nächst die Energie-fuhr durch die Explosion (=schnelle Verbrennung) des Benzin- Luft-Gemisches und dann die Expansion des Gases Die dabei verrichtete Arbeit dient dem Antrieb des Fahrzeugs, das heißt hier wird innere Energie in mechanische Energie umgesetzt In Phase 2 wird das Gas-Luft-Gemisch komprimiert Die hierfür notwendige Energie stammt auch noch aus der Phase 3 Der Schwung des Kolbens sorgt quasi noch für die Kompression Dieser Teil der inneren Energie kann also nicht in Mechanische Energie umgewandelt werden, weshalb der Wirkungsgrad des Motors prinzipiell immer kleiner als 1 ist Der Viertakt-Dieselmotor hat keine Zündkerzen und keinen Vergaser Bei ihm wird die im Ansaugtakt angesaugte Luft im Verdichtungstakt sehr sehr stark sammengedrückt Dadurch wird die Luft auf bis 900 o C erwärmt Nun spritzt man das Dieselöl ein, das sich bei den hohen Temperaturen selbst entzündet Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt ungefähr 25%, der eines Dieselmotors zwischen 35% und 46% Im Vergleich da erreichen die Muskeln von Hochleistungssportlern einen Wirkungsgrad von etwas über 30% Sowohl bei den Motoren als auch bei den Muskeln wird der Teil der r Verfügung gestellten inneren Energie, der nicht in mechanische Energie umgewandelt wird, in Form von Abwärme und Reibungswärme abgegebe g:\d1\expsem\esem_mat_gem\waermelehre\waermekraftmaschinendocx

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