Wärmemaschinen Verdampfen (nur Physik 8 I): Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen) kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen. Wärmemaschinen (Physik 9 I und 10 II/III) : Dampfmaschine Dampfturbine Gasturbine GuD-Kraftwerk Verbrennungsmotor Kühlschrank

aus „Newton“ Physik 9 I-III, Oldenbourg 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

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“)

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

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:

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

Dampfmaschine η = 1 - 298 K / 393 K = 24% 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 K untere 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%

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 %

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%

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)

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. Im Gegensatz zu Ottomotor wird Ladeluft gekühlt (Inter-Cooler), um Sauerstoffgehalt zu erhöhen. Wirkungsgrad: Bei Ottomotor ca. 30%, Dieselmotor 40% zudem weniger Energiebedarf bei der Diesel-Brennstoffherstellung TSI (Twincharged Stratified Injection) von Volkswagen: Direkteinspritzung mit Ladeluft-Kompressor und Abgasturbo, deren Einsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt. 11