Adiabatische Expansion. p. 30

Transkript

1 Adiabatische Expansion p. 30

2 Isotherme Kompression p. 31

3 Adiabatische Kompression p. 32

4 PV Diagramm und Arbeit im Carnotzyklus 1. Isotherme Expansion 2. Adiabatisch Expansion 3. Isotherme Kompression 4. Adiabatische Kompression Adiabatengleichung Gesamtbilanz: p. 33

5 Thermodynamischer Wirkungsgrad des Carnot Zyklus Wirkungsgrad = abgegebene g Arbeit normiert auf aufgenommene Wärmemenge Je Größer die Temperaturdifferenz zwischen warmen und kaltem Reservoir, desto effizienter i läuft eine Wärmekraftmaschine K k ft k bt ib d ih Kühlk i l f it flü i M t ll Kernkraftwerke betreiben dazu ihren Kühlkreislauf mit flüssigen Metallen (Natrium)

6 Kühlschrank adiabatische Kompression Erwärmung des Gases Wärmetauscher (Kühlschlangen an Rückwand) Kondensation Expansionsventil: Verdampfung & adiabatische Expansion weitere Kühlung Verdampfungswärme kühlt die Speisekammer S. 35

7 Die Dampfmaschine Wasserdampf in Kessel über Kohlenfeuer erhitzt und unter Druck gesetzt Dampfeintritt i (rot) in die Kolbenkammer Expansion des heißen Dampfes & Kompression / Ausstoß des kalten Dampfes Antrieb büber Pleuelstange l und Exzenterräder Heißer Dampf Kalter Dampf

8 Der 4 Takt Ottomotor: Verbrennungsmotor mit Zündfunke Ausstoß: Verbrennungsgase Ansaugen: Luft/Gas Gemisch 1. Ansaugen 2. Verdichten 3. Arbeitshub 4. Ausstoß. Der Ottomotor verbrennt Benzin und braucht wg. der relativ geringen Verdichtung einen Zündfunken von der Zündkerze

9 Der 2 Takt Ottomotor: Kombination von Ansaugen und Ausstoß Ausstoß: Verbrennungsgase Ansaugen Vorteil: Kein Leistungsverlust durch Leerhub 50 % mehr Drehmoment als 4 Takt. Vibrationsärmer Einfache Motorsteuerung Anwendungen Schiffsmotoren Mofas Nachteil Schlechtere Befüllung der Zylinder bei hohen Drehzahlen. größere thermische Belastung Hoher Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen Schmierung häufig problematisch

10 Der Stirlingmotor: die ersten beiden Takte 1 > 2: Isotherme Kompression T kalt = konstant Wärme Q 12 abgegeben Arbeit W 12 zugeführt (Volumen sinkt, Druck steigt) 2 > 3: Isochore Erwärmung V 1 = konstant 1 Wärme Q 23 aufgenommen Keine Arbeit verrichtet aber Druck und Temperatur steigen an, weil Wärme vom Regenerator an das Arbeitsgas übergeht.

11 Der Stirlingmotor: die letzten beiden Takte 3 > 4: Isotherme Expansion T warm = konstant Wärme Q 12 aufgenommen Arbeit W 12 abgegeben (Volumen steigt, Druck sinkt) 4 > 2: Isochore Abkühlung V 2 = konstant Wärme Q 23 geht vom Gas zum Regenerator Keine Arbeit verrichtet, da Volumen konstant

12 kühlung Praktischer Aufbau des Stirlingmotors 1 2) Isotherme Kompressio on 2 3) Isochore Erwärmung 3 4) Isotherme Expansion 4 1) Is ochore Ab mod. M. Arndt

13 Animation des Stirlingmotors 1. Animation unter: wz.de/vmotor/stirling.html 2. Versuch im Hörsaal

14 Idealer und realer Stirlingmotor Abweichungen vom Ideal durch Sinusoidalen Antrieb, statt Rechteck Rechteck Antrieb (s. links) Toträume für das Gas Unvollständige Wärmespeicherung im Reservoir Hohe Gasgeschwindigkeit: imperfekte Isothermie Mechanische Reibung (Gesamtverluste s. rechts unten)

15 Warum ist der Stirlingmotor technisch interessant? Benötigt nur Wärmegradienten, keinen Brennstoff: Emissionsfrei, wenn externe Wärmequellen nutzbar sind Solarbetrieb (Satelliten, Raumstationen) Abwärme: Geothermie Kältemaschine für wissenschaftliche Anwendungen CCD Kameras und Wärmebildkameras ( 100 C) Kältemittelfreie Kühlaggregate bis 4 K Vibrationsarm (Interferometer, Mikroskope) Kältemittelfrei lf i Leise (keine Explosionen) Aber Wirkungsgrad typisch < 50% des Carnot Wirkungsgrads

16 Druckwasserreaktor: eine aktuelle Wärmekraftmaschine (s. auch Temelin )

17 Siedewasserreaktor: mehr Kontamination, besserer Wirkungsgrad, kleinerer Preis

18 Schneller Brüter: schnelle Neutronen U238 > Pu

19 Kältemaschine, Wärmepumpe Man kann den Carnot Zykus invers durchlaufen (Gegenuhrzeigersinn) Dabei wird Wärme aus dem kalten Reservoir in das warme Reservoir übertragen. Dieser Prozess erfordert Arbeit Definiere die Kälte Leistungszahl Beispiel: T k =270 K, T W =300 K c k = 270/30 = 9 D.h. man muss 1/9 der gewonnenen Wärme zuvor als Arbeit aufbringen p. 48