Ein Vortrag von Verena Pfeifer

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1 Ein Vortrag von Verena Pfeifer
Thermodynamik Ein Vortrag von Verena Pfeifer

2 Inhaltsverzeichnis Was versteht man unter Thermodynamik? Temperatur
Systeme Die Hauptsätze der Thermodynamik Reversibilität & Irreversibilität Entropie Thermodynamische Prozesse Kreisprozesse Die Dampfmaschine Kälteerzeugung

3 Was versteht man unter Thermodynamik?
Wärmelehre Temperatur, Wärme & Umwandlung von Energie Läuft ein Vorgang spontan ab? In welche Richtung verläuft ein Vorgang?

4 Temperatur Zustandsgröße Temperaturskalen sind willkürlich festgelegt
Lineare Skalen zwischen zwei Fixpunkten Quelle: -physikalische & thermodynamische Zustandsgröße Zustandsgröße: makroskopische Größe, die nur vom momentanen Zustand abhängt, nicht vom Weg, auf welchem dieser erreicht wurde Menschliches Temperaturempfinden: Kontakt mit Gegenstand ->wärmer oder kälter als Körpertemp. Absolute Temperatur: Kelvin, mittlere kin. Energie der Teilchen schnellere Bewegung – höhere Temperatur. Nullpunkt der Skala ist der absolute Nullpunkt der Temperatur, in der Thermodynamik zum Rechnen verwendet 2 willkürlich festgelegte Skalen mit linearem Verhalten zwischen 2 Fixpunkten Anders Celsius ( ) : Schmelz- und Siedepunkt von Wasser, dazwischen 100 gleiche Skalenteile, machte sich lin. Ausdehnung von Quecksilberthermometer zu nutze Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) (USA): Eis-Wasser-Ammonuimchlorid-Kältemischung & Körpertemperatur

5 Systeme Offenes System Energie- und Stoffaustausch
Geschlossenes System Energieaustausch, jedoch kein Stoffaustausch Abgeschlossenes System Weder Energie- noch Stoffaustausch

6 Die Hauptsätze 0. Hauptsatz
Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht. Thermisches Gleichgewicht: Körper haben die gleiche Temperatur. Bei unterschiedlicher Temperatur fließt Wärme so lange vom wärmeren zum kälteren Körper bis das thermische Gleichgewicht erreicht wird. Bedeutet, wenn A und B im thermischen GGW sowie B und C im thermischen GGW, dann stehen auch A und C im thermischen GGW, heißt, sie haben die gleiche Temperatur Therm. GGW Grund, wieso Thermometer funktionieren, Wärme fließt von Luft auf Thermometer, bis sie im GGW sind, Quecksilber dehnt sich entsprechend aus. Nimmt Temperatur der Luft ab, wird Wärme vom Thermometer auf Luft übertragen, Quecksilber zieht sich zusammen.

7 Die Hauptsätze 1. Hauptsatz 2. Hauptsatz 3. Hauptsatz
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. 2. Hauptsatz Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. 3. Hauptsatz Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.

8 1. Hauptsatz Definition der Inneren Energie:
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. Definition der Inneren Energie: Gesamtenergie eines Systems  Summe der kinetischen und potentiellen Energie seiner Moleküle Zustandsgröße

9 1. Hauptsatz ΔU: Änderung der Inneren Energie Abgeschlossene Systeme
dU : differentielle Änderung der inneren Energie eines Systems δq : differentielle Wärmemenge, die das System bei der Zustandsänderung aufnimmt δw : am System geleistete Arbeit - δq und δw sind wegabhängig, also keine Zustandsfunktionen w: an System verrichtete Arbeit, q: in Form von Wärme zugeführt Energie dU -> infinitesimale Änderungen, leichtere Rechenmethoden. Delta zur Kennzeichnung, dass es keine Zustandsfunktion ist. Um Zustand zu erreichen kann zb mehr Wärme zugeführt werden und mehr Arbeit verrichtet werden, als wenn man geradlinigen Weg gehen würde. Fundamentale Gleichung sagt aus: Verschiedene Energieformen können sich ineinander umwandeln, aber Energie entsteht nicht aus dem Nichts! Und geht auch nicht verloren Daraus folgt: Kein perpetuum mobile 1. Art. Kein System kann Arbeit verrichten, ohne Zufuhr anderer Energieformen von außen und/oder Verringerung der Inneren Energie Bei abgeschlossenen Systemen: keine Wärme wird zugeführt und keine Arbeit wird verrichtet, Innere Energie bleibt also konstant.

10 1. Hauptsatz Wärmeübergänge
bei konstantem Volumen und keiner Nichtvolumenarbeit: Die Änderung der Inneren Energie entspricht der zugeführten Wärme. Nichtvolumenarbeit: zB el. Arbeit zur Erzeugung eines Stromflusses. Misst man die Wärmemenge, die einem System bei Zustandsänderung bei const. Volumen zu- oder abgeführt wird, misst man in Wirklichkeit Änderung der Inneren Energie. Findet eine Volumenänderung statt, ist die Änderung der Inneren Energie nicht mehr gleich der zugeführten Wärmemenge. Teil der Energie wird als Volumenarbeit mit der Umgebung ausgetauscht. Zugeführte Wärmemenge entspricht dann bei konstantem Druck der Änderung einer anderen Zustandsgröße der Thermodynamik.

11 1. Hauptsatz Die Enthalpie H
Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems H = U + pV Bei konstantem Druck und nur Volumenarbeit dH = dq

12 2. Hauptsatz Clausius: Kelvin:
Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. Clausius: Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist. Kelvin: Es ist nicht möglich, Wärme aus einem Wärmebad zu entnehmen und vollständig in Arbeit umzuwandeln. In welche Richtung laufen Umwandlungsprozesse von mechanischer Energie und Wärmeenergie ab? Kann Wärmeenergie vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt werden? Rudolf Julius Emanuel Clausius ( ) war ein deutscher Physiker. Clausius gilt als Entdecker des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, Schöpfer des Begriffs Entropie, Mitte 19.Jhd Kelvin: irischer Physiker, wirkte in Glasgow, SI Einheit der Temp mit absoluten Wärme fließt von selbst stets vom wärmeren zum kälteren Körper, nie umgekehrt. Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die einem Reservoir Wärme entzieht und diese ohne Energiezufuhr von außen vollständig in mechanische Arbeit umwandelt. Es gibt kein perpetuum mobile zweiter Art.

13 Reversibilität & Irreversibilität
Ein Prozess ist reversibel, wenn bei seiner Umkehr der Ausgangszustand wieder erreicht wird, ohne dass Änderungen in der Umgebung zurückbleiben. Es geht keine Energie durch Vorgänge verloren, die man nicht umkehren kann. Dh: jeweiliger Vorgang läuft so langsam ab, dass sich das System stets in einem Gleichgewichtszustand befindet und dass durch geringfügige Änderung eines Parameters die Umkehrung des Prozesses erreicht werden kann. Bei irreversiblen Vorgängen geht Energie aufgrund von Reibung, viskosen Kräften oder anderen nicht rückgängig machbaren Effekten in Wärme verloren Beispiel Biochemie: Irreversible Denaturierung (Strukturelle Veränderung von Molekülen) von Eiern beim kochen: Struktur wird zerstört und kann nicht wieder hergestellt werden Reversible Denaturierung: Hohes Fieber, Proteine in Hirn und Blut können denaturieren, wenn Fieber sinkt jedoch wieder alte Struktur annehmen

14 Richtung freiwilliger Prozesse
Dissipation der Energie Prozess verläuft freiwillig in Richtung einer weiniger geordneten Verteilung der Gesamtenergie Quelle: Dissipation, heißt wörtlich „Zerstreuung“, Vorgang, bei dem zb durch Reibung Energie einer makroskopisch gerichteten Bewegung,die in andere Energieformen umwandelbar ist, in thermische Energie übergeht, dh in Energie einer ungeordneten ewegung der Moleküle, die nur teilweiese umwandelbar ist. Prozess neigen zu Dissipation, verlaufen freiwillig in Richtung weniger geordneten Verteilung der Gesamtenergie Beispiel Ball, der auf Boden dopst: Gerichtete Bewegung nach unten, beim Auftreffen Verformung & Abgabe von Wärme an unendlich ausgedehnten Untergrund, weniger Energie um gleiche Höhe zu erreichen. Kommt nicht vor, dass ungerichtete Bewegungen aus unendlich ausgedehntem Untergrund sich sammelt und in die gleiche Richtung zeigen und der Ball von alleine beginnt nach oben zu springen

15 Die Entropie S Maß für die Dissipation der Energie bei einem Prozess
Bei einer freiwilligen Zustandsänderung nimmt die Entropie eines abgeschlossenen Systems zu: ΔSgesamt > 0 Quantitative Beschreibung für Diss

16 Die Entropie S Thermodynamische Definition:
Wärmemenge, die bei reversiblen Prozessen mit der Umgebung ausgetauscht wird: Ausmaß der Energiedissipation während eines Prozesses kann aus der dabei ausgetauschten Wärmemenge hergeleitet werden Ausdruck kann man anschließend integrieren und dann: Die Änderung der Entropie ist gleich dem Integral über die reduzierten Wärmemengen . Die Änderung der Entropie ist unabhängig vom Weg beim Wechsel eines thermodynamischen Zustands und hängt nur von dessen Anfangs- und Endzustand ab. Wird Wärme zugeführt, werden die Atome&Moleküle schneller und dadurch ungeordneter, Entropie steigt. Deshalb fließt Wärme immer vom wärmeren auf den kälteren Körper, weil maximale Entropie angestrebt wird. Diesen Quotienten bezeichnet man als reduzierte Wärmemenge:

17 Die Entropie S Reversible Prozesse Irreversible Prozesse
Die Entropie des Gesamtsystems (System & Umgebung) bleibt konstant dS = 0 SSystem und SUmgebung können sich ändern Irreversible Prozesse Die Entropie des Gesamtsystems wächst bis zu einem Maximalwert an dS > 0

18 Die Entropie S Statistische Definition Nach Ludwig Boltzmann:
Die Entropie ist proportional zur Zahl der mikroskopisch möglichen Zuständen : Zahl der Realisierungsmöglichkeiten : Boltzmann-Konstante Ludwig Boltzmann ( ) war ein österreichischer Physiker und Philosoph. Die Entropie S eines Makrozustandes ist proportional dem natürlichen Logarithmus der Zahl Ω der entsprechend möglichen Mikrozustände, bzw. die Entropie eines Makrozustandes ist proportional dem Maß seiner „Unordnung“. Die Proportionalitätskonstante ist Boltzmann zu Ehren Boltzmann-Konstante kB genannt worden und erstmals explizit von Max Planck eingeführt worden; sie ist universal gültig und hat die Dimension Energie/Temperatur.

19 Die Entropie S Quelle: Möglichkeiten vier Teilchen auf zwei Teilvolumina zu verteilen. Dabei tritt eine gleichmäßige Verteilung über beide Teilvolumina häufiger auf als eine ungleichmäßige. Liegt daran, dass die gleichmäßige Verteilung die größtmögliche Anzahl von Realisierungsmöglichkeiten aufweist. Sieht zwar auf den ersten Blick geordneter aus, da sich immer zwei Teilchen in den Kästchen befinden, aber es besteht eine höhere Zahl an unterschiedlichen Realisierungsmöglichkeiten

20 3. Hauptsatz Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.
Max Plancks Formulierung des Nernstschen Wärmetheorems: "Am absoluten Nullpunkt der Temperatur ist die Entropie völlig geordneter Kristalle gleich null. Wenn man die Entropie jedes Elements in reinem, kristallinem Zustand bei T = 0K gleich null setzt, dann hat jede Verbindung von Elementen (also jede Substanz) eine positive Entropie." Der 3. Hauptsatz wurde 1906 von Walter Nernst aufgestellt. Er entdeckte ihn, während er Entropien in der Nähe des absoluten Nullpunkts untersuchte. Da in einem perfekten Kristall am absoluten Nullpunkt keine Teilchen mehr schwingen können, kann es auch keine Entropieänderungen mehr geben. Dies gilt aber nur für perfekte Einkristalle, die unendlich ausgedehnt sind. Sobald die Gitterstruktur einen Fehler aufweist, oder eine Bruchstelle hat, gibt es wieder Unregelmäßigkeiten da nichtmehr jedes Teilchen exakt die gleiche Umgebung besitzt. Der perfekte Kristall ist nur ein theoretischer Zustand, denn ein Stoff friert sehr oft gerade so ein, wie er im Flüssigen durchgemischt vorliegt. Außerdem ist es nicht wirklich möglich einen Kristall zu erhalten, der unendlich ausgedehnt ist und keinerlei Fehler aufweist. Also kann die Entropie nie wirklich Null sein. Es ist unmöglich durch irgendeinen Prozeß mit einer endlichen Zahl von Einzelschritten, die Temperatur eines Systems auf den absoluten Nullpunkt von 0 K (=Kelvin) zu senken

21 Thermodynamische Prozesse
Isotherme Prozesse Durchführung bei gleichbleibender Temperatur Realisierung durch thermischen Kontakt mit Wärmebad System befindet sich im Wärmebad, wenn Temp. Zu- oder abnimmt im System fließt sie in sehr großes Wärmebad ab oder wird dadurch zugeführt, damit bleibt Temperatur dauerhaft konstant.

22 Thermodynamische Prozesse
Isobare Prozesse Durchführung bei gleichbleibendem Druck Isochore Prozesse Durchführung bei gleichbleibendem Volumen

23 Thermodynamische Prozesse
Adiabatische Prozesse Vorgänge, bei denen keine thermische Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird q = 0 Die Kompression der Luft in einer Luftpumpe ist eine adiabatische Zustandsänderung. Wenn die Kompression mit genügend hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird, ist eine deutliche Temperaturerhöhung spürbar. Die Arbeit, die an der Pumpe verrichtet wird, erhöht direkt die innere Energie und damit die Temperatur des Luftgemisches. Dabei wird zuerst keine Wärmeenergie an die Pumpe abgegeben bzw. von ihr aufgenommen. Erst nach Vollendung des Prozesses merkt man eine Erwärmung der Fahrradpumpe und damit einen Fluss der Wärmeenergie.

24 Thermodynamische Prozesse
Quelle:

25 Kreisprozesse System durchläuft Folge von Zustandsänderungen
Stimmen Anfangs- und Endzustand überein, handelt es sich um einen Kreisprozess

26 Stirling-Motor Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Es ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. abgeschlossenes Arbeitsgas wird von außen an zwei verschiedenen Bereichen abwechselnd erhitzt und gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in die besser einsetzbare Energieform mechanischer Energie. Zum Verständnis, Bezug auf Innere Energie, Bewegung der Teilchen Auf ersten Hauptsatz hinweisen. Isochore Erwärmung: dQ wird zugeführt, da Gas sich nicht ausdehnen kann steigt Druck innerhalb des Gases (schnellere Bewegungen der Teilchen, mehr Zusammenstöße mit den Wänden des Gefäßes) Isochore Abkühlung: dQ abgeführt, Druckerniedrigung, innere Energie nimmt an, Gas kühlt ab. Isotherme Zustandsänderung: T=const. U=const.damit sichbei Gasausdehnung Temp nicht ändert nimmt Gas von außen Wärmeenergie auf, die in mech Arbeit gegen den äußeren Druck umgewandelt wird.isotherme Expansion. Isotherme Kompression: Vol des Gases wird bei konst Temp verkleinert, Das gibt dQ ab, damit U const bleibt Arbeitstakt:Isotherme Expansion Arbeitsgas, Luft, wird erhitzt und dehnt sich aus. Arbeitskolben wird nach oben gedrückt und gibt nach außen arbeit ab. Verdrängungstakt I: Isochore Abkühlung Verdrängerkolben schiebt heiße Luft in den gekühlten Bereich. Während sie an ihm vorbeiströmt, nimmt der Verdrängerkolben Wärme aus. Luft wird abgekühlt, Druck sinkt. Quelle:

27 Stirling-Motor Kompressionstakt:Isotherme Kompression: Arbeitskolben komprimiert Luft. Führt die Luft Arbeit zu, welche von außen, Schwungrad, geliefert wird. Verdängungstakt II: Isochore Erwärmung: Verdrängerkolben schiebt kalte Luft in geheizten Bereich. Während die an ihm vorbeiströmt, gibt Verdrängerkolben Wärme an die Luft ab, Luft wird erhitzt, Druck steigt, Kreisprozess beginnt von vorne. Im Arbeitstakt wird größere Energiemenge nach außen abgegeben, als beim Kompressionstakt von außen erhalten wird, da durch zwischenzeitliche Abkühlung der Druck der Luft gesunken ist und sich diese daher leichter komprimieren lässt. Arbeits- und verdrängerkolben bewegen sich 90° Phasenverschoben, sodass sich die Teilprozesse überlagern. Quelle:

28 Stirling-Motor pV-Diagramm, oft benutzt in der Thermodynamik, umrahmte Fläche: verrichtete Arbeit Quelle:

29 Der Carnot-Zyklus Idealer Kreisprozess
Ideales Gas steht wechselweise mit Wärmebädern konstanter Temperaturen (Tw>Tk) in Kontakt Gas wird zur Aufbringung bzw. Abgabe mechanischer Arbeit verdichtet bzw. expandiert Reversible Prozesse (Gleichgewichtsprozesse) Ideal, weil er Optimum angibt, das von keinem speziellen Kreisprozess, bei dem sich das Arbeitsfluid zwischen denselben Temperaturen bewegt, übertroffen werden kann Fluid: Gas oder Dampf Id. Gas: keine Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, Teilchen haben kein Eigenvolumen

30 Der Carnot-Zyklus Die vier reversiblen Teilschritte:
isotherme Expansion adiabatische Expansion isotherme Kompression adiabatische Kompression Benannt nach dem franz. Ingenieur Sadi Carnot Rev. Isotherme Expansion von A nach B bei Tw; Entropieänderung des Systems ist dabei qw/Tw mir qw als der aus dem Wärmebad entnommenen Wärmemenge Rev. adiabatische Expansion von B nach C; System gibt dabei keine Wärme ab, Entropieänderung ist 0.Während dieser Expansion fällt die Temperatur von Tw auf Tk Rev. isotherme Kompression von C nach D bei Tk; Wärmemenge qk wird dabei an die (kalte) Umgebung abgegeben, die Entropieänderung ist qk/Tk; wobei qk negativ ist. Rev. adiabatische Kompression; System nimmt keine Wärme aus der Umgebung auf, Entropieänderung ist 0. Temperatur steigt von Tk auf Tw.

31 Der Carnot-Zyklus Der Carnotsche Wirkungsgrad Wirkungsgrad allgemein:
Als Funktion der ausgetauschten Wärme: Für ein ideales Gas gilt: Hieraus folgt der Carnotsche Wirkungsgrad:

32 Der Carnot-Zyklus Folge des zweiten Hauptsatzes: Carnot-Prinzip:
Der Wirkungsgrad aller reversibel arbeitender Maschinen muss ungeachtet ihrer Bauweise und des Arbeitsmediums gleich sein. Carnot-Prinzip: Zwischen zwei gegebenen Wärmereservoiren hat die reversibel arbeitende Wärmekraftmaschine den höchstmöglichen Wirkungsgrad. Beispiel: zwei rev zw denselben Temperaturen arbietende Maschinen, miteinander gekoppelt, Konstruktion und Arbeitsmedium unerheblich, Wirkungsgrad A höher als B Anordnung, sodass B qk aus kaltem Reservoir entnommen und Teil von warmen Reservoir zugeführt wird. Da wirkungsgrad von A höher, wird von A mehr Arbeit produziert, als für diesen Prozess verbraucht wird, also bleibt Rest, der anderweitig verwendet werden kann. Im Ergebnis des gesamten Arbeitsganges der Maschine wird also die Temperatur des kalten Reservoirs nicht verändert, Arbeit geleistet und dem warmen Reservoir bestimmte Wärmemenge entzogen. Widerspruch: Wärme wurde direkt und vollständig in Arbeit umgewandelt. (Beispiel mit dem Ball: ungeordnete Bewegung der Moleküle wurde vollständig in geordnete Bewegung –Arbeit- umgesetzt) Folge: Wirkungsgrad von A und B kann nicht verschieden sein. Gilt für jedes Arbeitsmedium. Carnot-Prinzip: In realen Anordnungen wird Carnot-Wirkungsgrad wenn nur annähernd erreicht, da immer etw Energie zb durch Reibung verloren geht. Trotz guter Isolierung: Abgabe von Wärme an die Umgebung

33 Die Dampfmaschine Anfänge:
1690, Denis Papin: atmosphärische Dampfmaschine 1712, Thomas Newcomen: erste verwendbare Dampfmaschine 1769, James Watt: erhebliche Verbesserung des Newcomenschen Wirkungsgrades 1712: Abpumpen des Wassers im Bergwerk James Watt, dem oft fälschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomenschen Dampfmaschine erheblich.

34 Die Dampfmaschine Atmosphärische Dampfmaschine
Quelle: In einen Zylinder wurde etwas Wasser gefüllt und ein Kolben bis zur Wasseroberfläche heruntergedrückt (die über dem Wasser befindliche Luft konnte über ein Röhrchen entweichen). Bringt man nun das Wasser zum Sieden, so drückt der Wasserdampf den Kolben entgegen der durch den äußeren Luftdruck und der Erdanziehung verursachten Kraft nach oben. In der obersten Stellung wird der Kolben nun arretiert. Lässt man jetzt den Dampf durch Abkühlung kondensieren, so entsteht im Zylinder ein Unterdruck. Aufgrund des äußeren Luftdrucks wird nun der entarretierte Kolben nach unten gedrückt und kann dabei Arbeit verrichten.

35 Die Dampfmaschine Newcomens Dampfmaschine
Quelle: Im ersten Takt strömt heißer Dampf vom Kessel in den Zylinder und hebt den Kolben an. Im zweiten Takt wird kaltes Wasser in den Zylinder gespritzt, der Wasserdampf kondensierte, es entsteht ein Teilvakuum im Zylinder. Im dritten Takt (Arbeitstakt) wird der Kolben durch den äußeren Luftdruck nach unten bewegt, das Kühlwasser fließt aus dem Zylinder ab. Über den Balancier (großer Querbalken) wird auf der linken Seite eine Wasserpumpe betrieben. Außerdem werden durch ihn die Ventile gesteuert. Diese so genannte atmosphärische Dampfmaschine erzeugte durch Einspritzen von Wasser in einen mit Dampf gefüllten Zylinder einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre. Mit diesem Druckunterschied wurde der Kolben im Arbeitstakt vom atmosphärischen Luftdruck nach unten gedrückt und anschließend durch das Eigengewicht der anzutreibenden Pumpenstange wieder nach oben in die Ausgangsposition gezogen. Die Kraftübertragung zwischen Kolbenstange und Balancier erfolgte mittels einer Kette. Der Wirkungsgrad der Newcomenschen Maschine lag bei 0,5 Prozent

36 Die Dampfmaschine Ausgangssituation nach Watt
Quelle: James Watt, dem oft fälschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomenschen Dampfmaschine erheblich, indem er mit seiner 1769 patentierten Konstruktion einerseits den Abkühlvorgang aus dem Zylinder heraus in einen separaten Kondensator verlagerte, andererseits den Kolben abwechselnd von der einen und der anderen Seite mit Dampf beschickte – und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite den Auslass zum Kondensator öffnete. So konnte Watt auf das mechanische Rückführen des Kolbens verzichten, und die Maschine bei beiden Kolbenhüben Arbeit verrichten lassen. Zusammen mit der Erfindung des Wattschen Parallelogramms war es möglich, die Maschine ein Schwungrad drehen zu lassen. James Watt bezeichnete diese Erfindung als seine bedeutendste; sie gilt auch heute noch als Musterbeispiel für die Lösung der Aufgabe, eine geradlinige Bewegung in eine kreisförmige nur mit Hilfe von Drehgelenken umzuwandeln.Wärme wird aus einem Reservoir mit hoher Temperatur T1 entnommen und teilweise in Arbeit umgewandelt. Der Rest der Energie wird als Wärme bei niedriger Temperatur T2 an ein zweites Reservoir abgegeben Schließlich kam Watt die entscheidende Erkenntnis: Um das fortwährende, wechselweise Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu vermeiden, verlegte er die notwendige Kondensation des Wasserdampfes in einen separaten Behälter, den Kondensator. Zusätzlich isolierte er den Zylinder, um die Wärmeverluste zu verringern. Statt des atmosphärischen Luftdrucks, wie bei den Vorgängermaschinen von Denis Papin, Thomas Newcomen und anderen, setzte er den Dampfdruck auch für den Kolbenrückstoß ein.

37 Die Dampfmaschine Quelle: 1-3: Einlass- und Auslassventil sind offen, das Ausgleichsventil ist geschlossen. Heißer Dampf strömt vom Kessel, drückt den Kolben nach unten (dies wird durch den Unterdruck im Kondensator noch unterstützt). Der heiße Dampf verrichtet unter allmählicher Abkühlung Arbeit (Arbeitstakt). Der noch vom vorangegangen Takt vorhandene kalte Dampf wird in den Kondensator geschoben. 4-6: Einlass- und Auslassventil sind geschlossen, das Ausgleichsventil ist offen. Es kann ein Druckausgleich zwischen dem Raum oberhalb und unterhalb des Kolbens erfolgen. Der nicht im Gleichgewicht befindliche Balancier zieht den Kolben wieder nach oben.

38 Die Dampfmaschine Wirkungsweise einer Kolbendampfmaschine
Quelle: Der Prototyp der Kolbendampfmaschine, der jahrzehntelang die technische Praxis bestimmt hat, ist die einzylindrige, doppeltwirkende Kolbenmaschine. (siehe Aufbau Abb. 5) Die Maschine arbeitet wie folgt: Der Frischdampf treibt abwechselnd von jeder Seite den Kolben hin und her, der Abdampf verläßt nach getaner Arbeit den Zylinder. Die Maschine arbeitet entweder mit Gegendruck, mit Kondensation oder als Auspuffmaschine. Bei der zuletzt genannten Möglichkeit wird der Abdampf aus dem Zylinder in die freie Luft geblasen, und somit auf 0,1 MPa Druck entspannt. Gegendruckmaschinen nutzten den Abdampf meist noch als Heizdampf, weil dieser hier einen höheren Druck hat. Und bei den Kondensationsmaschinen ist dem Zylinder ein Kondensator nachgeschaltet, in dem der Abdampf niedergeschlagen wird. Dadurch entsteht im Kondensator und auch im Zylinder ein Vakuum, das die Leistung der Maschine erhöht. Die Kolbenstange wird durch den Kreuzkopf auf einer Gleitbahn in geradliniger Bewegung gehalten. Am Kreuzkopf ist die Schub- oder Kurbelstange angeschlossen. Diese versetzt die Kurbelwelle (mit oder ohne Schwungrad) in eine Drehbewegung und stellt die gewünschte Energie zur Verfügung (z.B.: für Arbeitsmaschinen). Für dieses Prinzip der Dampfmaschine ist eine Steuerung erforderlich, die von der Dampfmaschine selbst angetrieben wird. Diese Steuerung übernimmt eine richtige Zuleitung des Frischdampfes in den Zylinder sowie eine Ableitung des Abdampfes aus dem Zylinder.

39 Kälteerzeugung Wärmemenge wird aus kaltem Reservoir mit entnommen und wärmeren Reservoir mit zugeführt Hierbei gilt: Prozess läuft nicht freiwillig ab Deshalb: Zufuhr von Arbeit zum wärmeren Reservoir

40 Kälteerzeugung Der Kompressorkühlschrank
Quelle: Bei den heutigen Kompressor-Kühlschränken nutzt man aus, dass zum Verdampfen einer Flüssigkeit Energie notwendig ist. Im Rohrsystem eines Kühlschrankes befindet sich ein Kühlmittel, das bei Normaldruck einen Siedepunkt von ca. -30°C besitzt. Dieses Kühlmittel gelangt in flüssiger Form bei ca. 1 bar in den Kühlschrank. Da es im Kühlschrank wärmer als -30°C ist, verdampft das Kühlmittel im sogenannten Verdampfer. Die dazu notwendige Verdampfungsenergie wird den im Schrank befindlichen Lebensmitteln entzogen. Das nun gasförmige Kühlmittel wird durch den Kompressor abgesaugt. Würde der Druck von ca. 1 bar des gasförmigen Kühlmittels beibehalten, so müsste die Temperatur im außerhalb des Kühlschrankes befindlichen Kondensor niedriger als -30°C sein, wenn das gasförmige Kühlmittel wieder flüssig werden sollte (Kondensation). Da dies aber in der Regel nicht der Fall ist (der Kondensator befindet sich auf der Rückseite des Kühlschrankes meist bei Zimmertemperatur) wendet man einen "Trick"an: Man nützt aus, dass sich die Kondensationstemperatur eines Gases erhöht, wenn das Gas unter erhöhtem Druck steht (vgl. z.B. Siedepunktserhöhung im Dampftopf). Mit dem Kompressor wird der Druck des gasförmigen Kühlmittels auf ca. 8 bar erhöht, dadurch steigt die Siede- bzw. Kondensationstemperatur des Kühlmittels auf Zimmertemperatur. Das unter hohem Druck stehende gasförmige Kühlmittel gibt im Rohrsystem des Kondensators an die umgebende Zimmerluft Energie ab, das Kühlmittel wird flüssig. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird ebenfalls an die Umgebung abgegeben. Durch ein Reduzierventil (Drossel) wird nun der Druck des flüssigen Kühlmittels soweit reduziert (auf ca. 1 bar), dass die Siedetemperatur wieder -30°C ist. Diese entspannte Kühlflüssigkeit wird nun wieder in den Kühlschrank geleitet und der ganze Prozess wiederholt sich. Kühlmittel: früher FCKW, aber klimaschädlich, heute Propan, Butan allerdings brennbar

41 Quellen Internet: Literatur: http://leifi.physik.uni-muenchen.de
Literatur: Atkins, de Paula: Physikalische Chemie, 4. Auflage