Wärmekraftmaschinen

Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

  • Wie funktioniert eigentlich eine Dampfmaschine?
  • Was ist so besonders an einem WANKEL-Motor?
  • OTTO- oder DIESEL-Motor?
  • Was versteht man unter einem Wirkungsgrad?

In unserem täglichen Leben sind wir es gewohnt die verschiedensten Arbeiten durch Geräte bzw. Maschinen verrichten zu lassen. Dabei denken wir meist nicht darüber nach, welche Anstrengung es für uns bedeuten würde, wenn wir die Geräte bzw. Maschinen mit Hilfe unserer Muskelkraft bedienen müssten. Sehr lehrreich ist hier ein "Energie-Fahrrad" wie es z.B. im Deutschen Museum in München zu finden ist.

Zum Betrieb eines Transistorradios reicht eine Leistung von ca. 6W, zum Betrieb einer Glühlampe muss der Radler schon 60W leisten. Damit der Fernseher in Betrieb geht, braucht man schon eine Leistung von ca. 200W (was auf Dauer für einen Ungeübten nur schwer durchzuhalten ist) und zum Erwärmen von Wasser mit einem Tauchsieder ist eine Leistung im Kilowatt-Bereich aufzubringen, was der Normalbürger, wenn überhaupt, dann nur für ganz kurze Zeit schafft.

Ähnliche Erfahrungen "am eigenen Leib" kann man auch machen, wenn man eine Bergstrecke, die man mit dem Auto bequem befährt, einmal mit dem Fahrrad ausprobiert.

von Georg Andreas Böckler, 1661 [Public domain], via Wikimedia Commons

Vor ein paar Jahrhunderten war es durchaus üblich, dass Hebewerkzeuge, Getreidemühlen oder Hammerwerke in Schmieden durch Menschen oder Tiere angetrieben wurden (siehe das von einem Pferd betriebene Mühlrad rechts).

Um der täglichen Schinderei auszukommen, ersannen die Menschen schon sehr früh Apparaturen, welche die "Kraft des Wassers" bzw. die "Kraft des Windes" ausnutzten. Wenn Du dich hierüber näher informieren willst, so gehe zu den Seiten "Geschichte der Wasserkraft" und "Geschichte der Windenergie".

Zu Beginn des 18. Jahrhunderts erfuhr in England durch die Erfindung mechanischer Webstühle die Fertigung von Stoffen aus Baumwolle einen enormen Aufschwung. Es entstanden erste Fabriken deren Maschinen zunächst durch die kinetische Energie des fließenden Wassers betrieben wurden. Allerdings stockte bei Wasserknappheit die Produktion und der Auswahl des Standorts der Fabrik waren durch den Wasserbedarf enge Grenzen gesetzt. Eine weitere Entwicklung, die wiederum in England besonders ausgeprägt war, stellte der Aufschwung des Kohlebergbaus dar. Zur Abdeckung des Kohlebedarfs mussten immer tiefere Schächte gebohrt werden und bei diesen bestand die Gefahr, dass sie ständig mit Grundwasser voll liefen. Bei manchen Bergwerken waren von 1000 Bergleuten 600 Wasserknechte, die mit Eimern dafür sorgen mussten, dass das Wasser aus den Stollen befördert wurde. Aus diesen Gründen wird verständlich, dass man in England nach Antriebs- und Pumpmaschinen suchte, die nicht vom fließenden Wasser oder vom vielleicht wehenden Wind abhängig waren. Dabei besann man sich auf die "treibende Wirkung des Wasserdampfes" der bereits zu Zeiten Herons (ca. 100 n. Chr.) bekannt war.

Auf der Seite über die Dampfmaschine kannst Du - stark vereinfacht dargestellt - die Entwicklung der Dampfmaschine über Denis Papin (1690), Thomas Newcomen (1711) und den genialen James Watt (1768) verfolgen. Man bezeichnete die Dampfmaschine als Wärmekraftmaschine (besser wäre eigentlich der Begriff "Wärmearbeitsmaschine"). Bei ihr wird die innere Energie des heißen Dampfes in mechanische Energie gewandelt. Jedoch geht diese Umwandlung leider nicht vollständig: Bei jeder- auch noch so schlau konstruierten - Wärmekraftmaschine entsteht Abwärme, welche aufgrund des Energieerhaltungssatzes natürlich die bereitgestellte mechanische Energie mindert. Nur etwa 16% von der zugeführten Wärme werden von der Dampfmaschine in mechanische Arbeit umgewandelt. Das physikalische Grundprinzip einer Wärmekraftmaschine kann in einem einfachen Versuch dargestellt werden.

Trotz des geringen Wirkungsgrades erlebte die Dampfmaschine nach deren Vervollkommnung durch Watt eine sehr schnelle Verbreitung. Sie wurde zur Entwässerung von Schächten bei der Kohleförderung und als Zug- und Antriebsmaschine in der Industrie (besonders in der Textilindustrie) und im Transportwesen (Dampflokomotive, Dampfschiff) eingesetzt. Ab 1866 diente sie auch als Antriebsmaschine für die von Siemens erfundenen Generatoren zur Stromerzeugung. Die Erfindung der Dampfturbinen (Wirkungsgrad um 50%) und der Benzin-Verbrennungsmotoren leiteten das Ende der "Dampfmaschinen-Zeit" ein.

Die Einführung der Dampfmaschine löste maßgeblich die sogenannte "Industrielle Revolution" aus. Mit ihr war eine gravierende Veränderung der Arbeitswelt (Fabriken statt Kleinbetrieb) und der sozialen Verhältnisse verknüpft. Mit der Einführung der Dampfmaschine begann aber auch der radikale Abbau von Kohle, die in Jahrmillionen gebildet und nun in einer vergleichsweisen kurzen Zeitspanne "verheizt" wurde. Der Klimawandel nahm hier seinen Anfang.

Auf dieser Seite werden die Grundprinzipien von Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe dargestellt und ihre Wirkungsgrade angegeben.
Wärmekraftmaschine
Kältemaschine
Wärmepumpe

Ziel der Wärmekraftmaschine (z.B. Dampfmaschine, Verbrennungsmotoren):

Durch die Abkühlung eines heißen Reservoirs (Temperatur \({{T_1}}\)) soll mechanische Arbeit verrichtet werden.
Dabei wird stets einem kälteren Reservoir (Temperatur \({{T_2}}\)) Wärme zugeführt (Abwärme).

Ziel der Kältemaschine (z.B. Kühlschrank, Klimaanlage):

Durch mechanische Arbeit soll Wärme von einem kalten Reservoir (Temperatur \({{T_2}}\)) abtransportiert werden. Dieser Prozess ist stets mit der Wärmezufuhr an ein wärmeres Reservoir (Temperatur \({{T_1}}\)) verbunden.

Ziel der Wärmepumpe:

Durch mechanische Arbeit soll Wärme in ein heißes Reservoir (Temperatur \({{T_1}}\)) transportiert werden. Hier bei wird stets einem kälteren Reservoir (Temperatur \({{T_2}}\)) Wärme entzogen.

Nutzarbeit: \(W\)

Aufzuwendende Energie: \({{Q_1}}\)

\[\eta  = \frac{W}{{{Q_1}}}\]

Nutzenergie: \({{Q_2}}\)

Aufzuwendende Arbeit: \(W\)

\[\eta  = \frac{{{Q_2}}}{W}\]

Nutzenergie: \({{Q_1}}\)

Aufzuwendende Arbeit: \(W\)

\[\eta  = \frac{{{Q_1}}}{W}\]

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