Wärmekraftmaschinen

1. Wärmekraftmaschinen Carnot-Zyklus Stirling-Motor

2. Inhalt • Funktion des Carnot Motors • Vergleich der Funktion von Carnot - und Stirling-Motor • Der optimale Wirkungsgrad für Wärmekraftmaschinen

3. Isotherme Expansion 2 0 1,5 0,5 • Das Wärmebad liefert die Wärme zur Expansion • Das Gegengewicht speichert einen Teil der vom Gas nach außen abgegebenen Arbeit • Zusätzlich wird weitere Arbeit abgeben, z. B. eine Nutzlast angehoben 1,0 Wärmezähler [J]

4. Adiabatische Expansion 2 0 1,5 0,5 • Der Zylinder wird isoliert • Das expandierende Gas hebt das Gegengewicht weiter, die Innere Energie nimmt ab, die Nutzlast wird nicht weiter angehoben 1,0 Wärmezähler [J]

5. Isotherme Kompression 2 0 1,5 0,5 • Ein Kühler hält die Temperatur konstant • Das Gegengewicht treibt gegen den Druck den Kolben hoch • Der Kühler führt die bei der Kompression entstehende Wärme ab 1,0 Wärmezähler [J]

6. Adiabatische Kompression 2 0 1,5 0,5 • Der Zylinder wird isoliert • Das Gegengewicht treibt den Kolben gegen den Druck hoch, die innere Energie nimmt zu 1,0 Wärmezähler [J]

7. Isotherme Expansion 2. Zyklus 2 0 1,5 0,5 1,0 Wärmezähler [J]

8. Adiabatische Expansion 2. Zyklus 2 0 1,5 0,5 1,0 Wärmezähler [J]

9. Isotherme Kompression 2. Zyklus 2 0 1,5 0,5 1,0 Wärmezähler [J]

10. Adiabatische Kompression 2. Zyklus 2 0 1,5 0,5 1,0 Wärmezähler [J]

11. Reversible Prozesse • Der Lauf der Carnot Maschine ist reversibel: In jedem Moment könnte die Maschine angehalten und mit Umkehrung der Vorgänge neu gestartet werden: • Bei der isothermen Kompression kann z. B. durch Einsatz der Nutzlast dem Wärmebad die Wärme wieder zurückgeben werden

12. Definition des Wirkungsgrads im Carnot-Zyklus • Nach einem Zyklus der Carnot Maschine gilt: • Wärme wurde zugeführt • Arbeit wurde verrichtet, z. B. eine Nutzlast angehoben • Der (negative) Quotient zwischen der Nutz-Arbeit und der zugeführten Wärme nennt man Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine • Ohne Beitrag zum Wirkungsgrad sind • Die während der adiabatischen Vorgänge (z. B. mit Hilfe eines Gegengewichts) gespeicherte und wieder abgerufene Arbeiten, sie sind gleich, aber von entgegengesetzten Vorzeichen und heben sich daher auf • die bei der isothermen Kompression abgeführte Wärme

13. Die Zyklen der Carnot Maschine

14. Berechnung des Wirkungsgrads

15. Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre • Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die nichts anderes bewirkt als Erzeugung mechanischer Arbeit und Abkühlung eines Wärmebehälters

16. Technik des CarnotMotors • Der Carnot-Motor erfordert an seinem Zylinder den unmittelbaren Wechsel von Heizung, Isolation und Kühlung - das ist technisch kaum realisierbar

17. 1 2 4 3 Carnot-Motor

18. Technik des Stirling Motors • Technisch realisierbar ist dagegen die Stirling Maschine mit immer heißem Zylinderkopf und gekühltem Mantel • Allerdings etwas komplizierte Ansteuerung des „Verdränger - Kolbens“

19. 1 2 4 3 Stirling-Motor

20. Versuch: Stirling Motor • Lauf eines Stirlingmotors • Betrieb als Wärmepumpe

21. Zusammenfassung • Der optimale Wirkungsgrad für Wärmekraftmaschinen ist durch den Carnot-Zyklus gegeben: η=1-Ttief / Thoch • Der Carnot Prozess ist jederzeit umkehrbar, d.h. die Carnot Maschine kann als Wärmepumpe eingesetzt werden • Der Carnot-Motor erfordert an seinem Zylinder den unmittelbaren Wechsel von Heizung zu Kühlung - das ist technisch kaum realisierbar • Technisch realisierbar ist dagegen die Stirling Maschine mit heißem Zylinderkopf und gekühltem Mantel • Allerdings etwas komplizierte Ansteuerung des „Verdränger - Kolbens“

22. Finis