Wärmemaschinen

1. Verdampfen (nur Physik 9 I): Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen) kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen. • Wärmemaschinen (Physik 9 I und II/III) : • Dampfmaschine • Dampfturbine • Gasturbine • GuD-Kraftwerk • Verbrennungsmotor • Kühlschrank Wärmemaschinen

2. Verdampfen • Verdampfen ist der allgemeine Begriff für die Änderung des Aggregatzustands (durch Sieden oder Verdunsten): Sieden Verdunsten • Kochen in den Bergen • „Siedeverzug“ (Auto- kühler, Reagenzglas) • Schwitzen • Wetter • Kältespray beim Sport aus „Newton“ Physik 9 I-III, Oldenbourg

3. Prinzip der Wärmenutzung 1) Wärmeübertragung führt zu mechanischer Arbeit (Expansion eines Arbeitsgases) • fortlaufende Zuführung des erhitzten Arbeitsgases (Dampf-, Gasturbine, Strahltriebwerk). • periodischer Prozess als „Kreisprozess“ (Dampfmaschine, Verbrennungsmotor, Heißluftmotor) 2) Mechanische Arbeit führt zu Wärmeübertragung (Kompression eines Arbeitsgases) • periodischer Prozess als „Kreisprozess“ (Kühlschrank und Klimaanlage, „Wärmepumpen“)

4. Prinzip der Wärmenutzung Bei hoher Temperatur T1 zugeführte Wärmemenge (aus Wärmebad oder Gaszündung): Q1 = Fläche (I, II, V2,V1) Abgegebene Wärmemenge Q2 = Fläche (IV, III, V2,V1) V1 V2 nutzbare Energie Wnutz = Q1 – Q2 , also h = Wnutz / Q1 h = Q1 – Q2 / Q1 = 1 - Q2 / Q1 , Wirkungsgrad

5. Wirkungsgrad von Wärmemaschinen für beliebiges Volumen Vk gilt: also: Die Flächen der grünen Streifen unter den Isothermen verhalten sich wie die Temperaturen T1 und T2. V1 V2 Vk Dies gilt näherungsweise auch für die Gesamtflächen Q1 und Q2:

6. Wirkungsgrad von Wärmemaschinen η = Wnutz / Weingesetzt => Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter und abgegebener Wärme, desto höher ist der Wirkungsgrad.

7. Dampfmaschine Prinzip: heißer Wasserdampf wird in einem Druckgefäß eingeschlossen; der Dampfdruck wird gezielt auf einen Kolben geführt, wodurch dieser bewegt wird. Wirkungsgrad: obere Prozesstemperatur: je nach Kesselfestigkeit ca. 120°C = 393 Kuntere Prozesstemperatur (Umgebungstemperatur) ca. 15°C = 298 K η = 1 - 298 K / 393 K = 24% theoretischer Wirkungsgrad; realistisch sind wegen der Reibungsverluste im Gerät, der Wärmeabstrahlung der Bauteile typisch 10%

8. Dampfturbinenkraftwerk Prinzip: Wasser wird verdampft, Dampf wird über eine Turbine entspannt und anschließend im Kondensator gekühlt Vorteile: Gegenüber Dampf- maschine höherer Druck und höhere obere Betriebs- temperatur; durch den Kondensator niedrigere Endtemperatur. Wirkungsgrad: 40 %

9. Gasturbinenkraftwerk (GuD) Prinzip: Verbrennung des Gases in einer Gasturbine, Abwärme wird zur Verdampfung von Wasser genutzt, das eine Dampfturbine antreibt. Vorteil: sehr hohe obere Betriebstemperatur hoher Wirkungsgrad < 60%

10. Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads Ökologisch und wirtschaftlich ist der Gesamtwirkungsgrad von Bedeutung:wieviel des eingesetzten (fossilen, nuklearen) Brennstoffs wird tatsächlich in irgendeiner Form genutzt ? • Nutzung der Restwärme aus dem Kondensator für Treibhausheizung, Wärmung von Fischzuchtbecken • Verwendung einer erhöhten Restwärme zur Fernheizung (Kraft/Wärme – Kopplung)

11. Verbrennungsmotor Zwei konkurrierende Verbrennungsmethoden: Fremdzünder (Ottomotor): Gemisch aus Brennstoff und Luft wird nur mäßig verdichtet, Verbrennungsstart durch äußeren Zündfunken. Selbstzünder (Dieselmotor): Luft wird so stark komprimiert, daß der eingespritzte Brennstoff spontan verbrennt. Wirkungsgrad: je nach Verdichtung und Brenntemperatur bei ca. 30% bis 35% , (Diesel ca. 10% besser als Ottomotor, zudem weniger Energiebedarf bei der Brennstoffherstellung) TSI (Twincharged Stratified Injection) von Volkswagen: Direkteinspritzung mit Ladeluft-Kompressor und Abgasturbo, deren Einsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt.