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Wärmekraftmaschinen Carnot-Zyklus Stirling-Motor.

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Präsentation zum Thema: "Wärmekraftmaschinen Carnot-Zyklus Stirling-Motor."—  Präsentation transkript:

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 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 Abgegebene Arbeit 0,5 0 1,5 2 1,0 Wärmezähler [J]

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

5 Isotherme Kompression 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 Abgeführte Wärme 0,5 0 1,5 2 1,0 Wärmezähler [J]

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

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

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

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

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

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 WegEnergiefluss Zustands- änderung Arbeit 1-2 Wärmezufuhr, Arbeit wird gespeichert und abgegeben Isotherme Expansion 2-3 Arbeit wird gespeichert Adiabatische Expansion 3-4 Kühlung, die gespeicherte Arbeit erzeugt Wärme Isotherme Kompression 4-1 Die gespeicherte Arbeit erhöht die Temperatur Adiabatische Kompression

14 Berechnung des Wirkungsgrads Definition des Wirkungsgrad der Carnot Maschine Die Wärmeüberträge werden, nach der Tabelle oben, durch die Volumina und die Temperatur ausgedrückt Die Punkte 2, 3 und 4, 1 sind durch Aiabaten verknüpft, deshalb gilt die Poissongleichung Folgt nach Division beider Gleichungen Wirkungsgrad der Carnot Maschine

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 Carnot Motors Der Carnot-Motor erfordert an seinem Zylinder den unmittelbaren Wechsel von Heizung, Isolation und Kühlung - das ist technisch kaum realisierbar

17 Carnot-Motor 12 34

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 Stirling-Motor 12 34

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-T tief / T hoch 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


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