Wärmekraftmaschinen - Physik
Wärmekraftmaschinen - Physik
Wärmekraftmaschinen - Physik
Einleitung
Eine Wärmekraftmaschine wandelt einen Teil zugeführter Wärme in mechanische Arbeit um. Beispiele sind Dampfmaschinen, Stirlingmotoren, Ottomotoren, Dieselmotoren sowie Dampf- und Gasturbinen. Du findest solche Maschinen in Fahrzeugen, Kraftwerken, historischen Lokomotiven und technischen Modellen.
Das Grundprinzip ist immer ähnlich: Ein Arbeitsstoff wird erwärmt, verändert dadurch Druck oder Volumen und kann einen Kolben oder eine Turbine antreiben. Damit der Vorgang wiederholt werden kann, muss ein Teil der Energie als Abwärme an eine kältere Umgebung abgegeben werden. Deshalb kann keine Wärmekraftmaschine die gesamte zugeführte Wärme in Arbeit umwandeln.
Grundaufbau und Energiefluss
Eine Wärmekraftmaschine besitzt mindestens drei wichtige Bereiche:
- Wärmereservoir: Es liefert die zugeführte Wärme .
- Arbeitsmedium: Ein Gas oder Dampf nimmt Wärme auf, dehnt sich aus oder strömt und verrichtet Arbeit.
- Kältereservoir: Es nimmt die abgeführte Wärme auf.
Für einen vollständigen Arbeitszyklus gilt die Energiebilanz:
Dabei ist die nach außen abgegebene mechanische Arbeit.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der zugeführten Wärme als nutzbare Arbeit erscheint:
Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0 und 1. Häufig wird er in Prozent angegeben. Ein Wirkungsgrad von 0,30 entspricht 30 Prozent. Reibung, Wärmeverluste und nicht ideale Verbrennung verringern den realen Wirkungsgrad zusätzlich.
Carnot-Grenze
Der ideale Carnot-Prozess zeigt, wie groß der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine höchstens sein kann. Für die Temperaturen des heißen und kalten Reservoirs gilt:
Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \eta_\mathrm{C}=1-\frac{T_\mathrm{kalt}}{T_\mathrm{heiß}}}
Die Temperaturen müssen in Kelvin eingesetzt werden. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto größer kann der theoretische Wirkungsgrad sein. Reale Maschinen bleiben unter dieser Grenze.
Beispiel: Bei Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle T_\mathrm{heiß}=600\,\mathrm{K}} und ergibt sich:
Im Druck-Volumen-Diagramm entspricht die eingeschlossene Fläche der Arbeit eines Kreisprozesses. Der Carnot-Prozess besteht idealisiert aus zwei isothermen und zwei adiabatischen Zustandsänderungen.
Äußere und innere Verbrennung
Bei Maschinen mit äußerer Wärmezufuhr wird der Arbeitsstoff durch eine Wärmequelle außerhalb des Arbeitsraums erwärmt. Dazu gehören die Dampfmaschine und der Stirlingmotor. Die Wärmequelle kann grundsätzlich unterschiedlich sein.
Bei Maschinen mit innerer Verbrennung verbrennt der Kraftstoff im Arbeitsraum. Dazu gehören Otto- und Dieselmotoren sowie Gasturbinen. Dabei entstehen heiße Verbrennungsgase, die direkt Arbeit verrichten.
Dampfmaschine
In einer Dampfmaschine wird Wasser erhitzt. Der entstehende Wasserdampf bewegt einen Kolben. Eine Kurbel kann die Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung umwandeln. Dampfmaschinen waren besonders für die Industrielle Revolution wichtig.
Stirlingmotor
Der Stirlingmotor enthält ein eingeschlossenes Gas. Es wird abwechselnd erwärmt und gekühlt. Durch die dadurch entstehenden Druckänderungen werden Kolben bewegt. Die Wärme wird von außen zugeführt, weshalb auch Sonnenwärme oder Abwärme als Energiequelle dienen können.
Ottomotor und Dieselmotor
Beim Ottomotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet und durch eine Zündkerze entzündet. Beim üblichen Viertaktmotor folgen Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.
Beim Dieselmotor wird zunächst Luft stark verdichtet. Dadurch steigt ihre Temperatur. Der eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne Zündkerze. Auch der Dieselmotor kann als Viertaktmotor arbeiten.
Gasturbine
Eine Gasturbine arbeitet kontinuierlich. Ein Verdichter komprimiert Luft, in der Brennkammer wird Kraftstoff verbrannt und das heiße Gas treibt die Turbine an. Ein Teil der Turbinenleistung treibt den Verdichter; der restliche Anteil kann einen Generator oder ein Fahrzeug antreiben.
Wärmekraftmaschinen im Kraftwerk
In einem Wärmekraftwerk wird häufig Wasser zu Dampf erhitzt. Der Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist. Im Kondensator wird der Dampf wieder verflüssigt. Eine Pumpe bringt das Wasser zurück zum Dampferzeuger. So entsteht ein Kreislauf.
Warum Abwärme unvermeidbar ist
Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann Wärme nicht vollständig und zyklisch in Arbeit umgewandelt werden. Eine Wärmekraftmaschine benötigt daher eine warme und eine kalte Seite. Ohne Temperaturunterschied gibt es keinen dauerhaften Wärmefluss und keine fortlaufende Arbeitsabgabe.
Ein höherer Wirkungsgrad kann durch höhere Arbeitstemperaturen, bessere Wärmedämmung, geringere Reibung, Wärmerückgewinnung oder die Kombination mehrerer Prozesse erreicht werden. Technische Grenzen entstehen unter anderem durch die Belastbarkeit der Werkstoffe.
Umwelt und Energieversorgung
Wärmekraftmaschinen sind für Verkehr und Stromerzeugung bedeutsam. Werden fossile Brennstoffe genutzt, entstehen unter anderem Kohlenstoffdioxid und weitere Abgase. Für die Umweltwirkung ist deshalb nicht nur der Motor wichtig, sondern auch die Herkunft der Wärme. Wärmekraftmaschinen können ebenfalls mit Biomasse, konzentrierter Sonnenenergie, Geothermie, Kernenergie oder industrieller Abwärme betrieben werden.
Ein hoher Wirkungsgrad senkt den Brennstoffbedarf pro abgegebener Nutzenergie. Noch besser kann die Energie genutzt werden, wenn zusätzlich die Abwärme zum Heizen verwendet wird. Dieses Prinzip heißt Kraft-Wärme-Kopplung.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Energieform gibt eine Wärmekraftmaschine als Nutzenergie ab? (Mechanische Arbeit) (!Chemische Bindungsenergie) (!Elektrische Ladung) (!Kernenergie)
Was nimmt das Kältereservoir auf? (Abwärme) (!Nutzarbeit) (!Kraftstoff) (!Elektrische Spannung)
Welche Größe beschreibt den Anteil der nutzbaren Arbeit? (Wirkungsgrad) (!Dichte) (!Frequenz) (!Ladung)
In welcher Einheit müssen Temperaturen in der Carnot-Formel eingesetzt werden? (Kelvin) (!Grad Celsius) (!Joule) (!Watt)
Welche Maschine erhält Wärme von außen und enthält ein eingeschlossenes Gas? (Stirlingmotor) (!Ottomotor) (!Dieselmotor) (!Elektromotor)
Welche Zündung verwendet ein Ottomotor? (Fremdzündung) (!Selbstzündung) (!Dauerzündung) (!Keine Zündung)
Warum entzündet sich Kraftstoff im Dieselmotor? (Die verdichtete Luft ist heiß) (!Die Zündkerze erzeugt einen Funken) (!Der Auspuff erwärmt den Kraftstoff) (!Der Kühler erhöht die Temperatur)
Welches Bauteil wandelt in vielen Kraftwerken Dampfströmung in Drehbewegung um? (Dampfturbine) (!Kondensator) (!Kühlturm) (!Transformator)
Was geschieht bei größerem Temperaturunterschied grundsätzlich mit der Carnot-Grenze? (Sie steigt) (!Sie wird immer null) (!Sie bleibt stets gleich) (!Sie wird negativ)
Warum erreicht eine reale Wärmekraftmaschine nicht den idealen Carnot-Wirkungsgrad? (Es treten unvermeidbare Verluste auf) (!Die Energieerhaltung gilt nicht) (!Kelvin ist ungeeignet) (!Arbeit kann nicht gemessen werden)
Memory
| Wärmereservoir | liefert Wärme |
| Kältereservoir | nimmt Abwärme auf |
| Arbeitsmedium | verändert Druck und Volumen |
| Wirkungsgrad | Verhältnis von Nutzarbeit zu Wärmezufuhr |
| Carnot-Grenze | theoretisches Maximum |
| Stirlingmotor | äußere Wärmezufuhr |
| Ottomotor | Fremdzündung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Kennzeichen |
|---|---|
| Dampfmaschine | Wasserdampf |
| Stirlingmotor | geschlossenes Arbeitsgas |
| Ottomotor | Fremdzündung |
| Dieselmotor | Selbstzündung |
| Gasturbine | kontinuierliche Gasströmung |
...
Kreuzworträtsel
| Wirkungsgrad | Wie heißt das Verhältnis von Nutzarbeit zu zugeführter Wärme? |
| Reservoir | Wie heißt ein großer Wärmespeicher in einem Modell? |
| Stirlingmotor | Welche Wärmekraftmaschine arbeitet mit einem eingeschlossenen Gas? |
| Turbine | Welches Bauteil wird durch strömenden Dampf oder heißes Gas gedreht? |
| Kolben | Welches bewegliche Bauteil befindet sich in vielen Motorzylindern? |
| Carnot | Welcher Name gehört zur theoretischen Wirkungsgradgrenze? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Energiefluss: Zeichne ein einfaches Schema mit Wärmequelle, Maschine, Nutzarbeit und Abwärme.
- Alltagsbeispiele: Finde vier Wärmekraftmaschinen in Verkehr, Haushalt oder Energieversorgung und ordne sie einem Typ zu.
- Viertaktmotor: Gestalte vier Bildkarten zu Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.
- Begriffsnetz: Verbinde Wärme, Temperatur, Druck, Volumen, Arbeit und Wirkungsgrad in einer Mindmap.
Standard
- Stirlingmotor: Beobachte ein Modell oder Video und beschreibe, wie das Arbeitsgas zwischen warmer und kalter Seite bewegt wird.
- Wirkungsgrad: Berechne für drei selbst gewählte Werte von Nutzarbeit und Wärmezufuhr den Wirkungsgrad.
- Dampfmaschine: Erstelle eine beschriftete Skizze und erkläre die Energieumwandlung vom Brennstoff bis zur Drehbewegung.
- Maschinenvergleich: Vergleiche Dampfmaschine, Stirlingmotor, Ottomotor und Gasturbine in einer Tabelle.
Schwer
- Carnot-Wirkungsgrad: Untersuche rechnerisch, wie sich eine Änderung der heißen oder kalten Temperatur auf die theoretische Grenze auswirkt.
- Kraftwerk: Entwickle ein Flussdiagramm für ein Dampfkraftwerk und kennzeichne Stellen mit Energieverlusten.
- Kraft-Wärme-Kopplung: Entwirf ein Energiekonzept für eine Schule, bei dem Strom und nutzbare Wärme gemeinsam erzeugt werden.
- Technikfolgenabschätzung: Produziere ein Erklärvideo zur Frage, welche Rolle Wärmekraftmaschinen in einer klimaverträglichen Energieversorgung spielen können.
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Lernkontrolle
- Energieerhaltung: Erkläre anhand eines selbst gezeichneten Energieflussbildes, warum Nutzarbeit und Abwärme zusammen der zugeführten Wärme entsprechen.
- Temperaturdifferenz: Begründe, warum ein Stirlingmotor ohne Temperaturunterschied nicht dauerhaft arbeiten kann.
- Maschinenwahl: Entscheide, welche Wärmekraftmaschine für die Nutzung industrieller Abwärme geeignet sein könnte, und begründe Deine Wahl.
- Prozessvergleich: Vergleiche Otto- und Dieselmotor hinsichtlich Gemischbildung, Verdichtung und Zündung.
- Carnot-Grenze: Beurteile die Aussage: Eine perfekte Wärmedämmung ermöglicht einen Wirkungsgrad von 100 Prozent.
- Kraft-Wärme-Kopplung: Erkläre, warum die Nutzung von Abwärme die Gesamtenergienutzung verbessert, obwohl der elektrische Wirkungsgrad der Maschine unverändert bleiben kann.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu Wärmekraftmaschinen ist wichtig, dass Du:
- den Energiefluss zwischen heißem Reservoir, Maschine, Arbeit und kaltem Reservoir erklären kannst,
- die Energiebilanz und den Wirkungsgrad mit Formeln berechnen kannst,
- die Carnot-Grenze mit Temperaturen in Kelvin anwenden und deuten kannst,
- Dampfmaschine, Stirlingmotor, Otto- und Dieselmotor sowie Gasturbine unterscheiden kannst,
- reale Verluste und die Notwendigkeit von Abwärme physikalisch begründen kannst,
- technische Anwendungen unter Energie- und Umweltaspekten bewerten kannst.
OERs zum Thema
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