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?

Mit dem folgenden, einfachen Versuch lässt sich das Prinzip einer Wärmekraftmaschine darstellen.

  • Das Wasser in dem Dampfkessel wird zum Sieden gebracht, es entsteht Wasserdampf. Solange der Dreiwegehahn die Leitung bei 1 verschließt, nimmt der Druck im rechten Teil der Anordnung zu.
  • Öffnet der Dreiwegehahn die Verbindung zwischen 1 und 3, so dehnt sich der Wasserdampf aus und schiebt den Kolben der Gasspritze nach oben, dabei wird mechanische Arbeit verrichtet. Der heiße Dampf kühlt sich dabei etwas ab.
  • Stellt man mit dem Dreiwegehahn die Verbindung zwischen 3 und 2 her, so strömt der abgekühlte Wasserdampf in das Wasser des Becherglases (links). Dem Wasser wird Wärme zugeführt. Der Kolben sinkt wieder in den Ausgangszustand ab.
  • Wiederholt man die oben dargestellten Vorgänge, so liegt eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine vor.





Die folgende Animation zeigt - stark vereinfacht - nochmals die Vorgehensweise:


 

In der untenstehenden schematischen Skizze ist der Energiefluss bei einer Wärmekraftmaschine dargestellt:

Die innere Energie des heißen Reservoirs 1 (hier Dampfkessel) nimmt um den Betrag \(\left| {\Delta {E_1}} \right|\) ab. Dieser Energiebetrag wird der Wärmekraftmaschine in Form von Wärme\(\Delta {Q_1}\) zugeführt (\(\left| {\Delta {E_1}} \right| = \left| {\Delta {Q_1}} \right|\) ). Die Wärmekraftmaschine verrichtet die mechanische Arbeit \(\Delta W\). Bei der Rückkehr in den Ausgangszustand der Maschine wird dem kälteren Energiereservoir 2 (\({T_2} < {T_1}\)) die Wärme \(\left| {\Delta {Q_2}} \right|\) zugeführt, es erhöht sich also die innere Energie des Reservoirs 2. Aufgrund des allgemeinen Energieerhaltungssatzes gilt:
\[\left| {\Delta {Q_1}} \right| = \left| {\Delta W} \right| + \left| {\Delta {Q_2}} \right|\]

Eine weitere Erkenntnis aus diesem einfachen Versuch ist, dass bei periodisch arbeitenden Wärmekraftmaschinen, die zugeführte Wärme \({\Delta {Q_1}}\) nicht vollständig in mechanische Arbeit gewandelt werden kann. Es entsteht immer Abwärme. Diese führt schließlich zu dem allgemein gültigen Satz:

Es ist nicht möglich, bei einer periodisch arbeitenden Maschine innere Energie vollständig in mechanische Energie zu verwandeln.

Esbit* ist ein sehr praktischer Trocken-Brennstoff, der vor allen Dingen im Campingbereich eingesetzt wird. In dem folgenden Versuch soll der Wirkungsgrad eines Esbitkochers für die Erwärmung von Wasser bestimmt werden.

Überlege dir zunächst, wie der Wirkungsgrad einer Esbit-Kochstelle zur Erwärmung von Wasser festzulegen ist und welche Größen man bestimmen muss.

*Erich Schumm Brennstoff In Tablettenform

  • Zweck des Esbitkochers ist es Wasser zu erwärmen.
  • Nutzenergie: Erhöhung der Wärmeenergie des Wassers \({{E_{nutz}} = {c_w} \cdot {m_w} \cdot \Delta \vartheta }\)
  • Aufzuwendende Energie: Benötigte chemische Energie des Brennstoffes \({{E_{auf}} = {H} \cdot {m_{esbit}}}\), wobei \(H\) der Heizwert des Brennstoffes ist, den man aus Tabellen entnehmen muss
     
\[\eta  = \frac{{{E_{nutz}}}}{{{E_{auf}}}} = \frac{{{c_w} \cdot {m_w} \cdot \Delta \vartheta }}{{{H_{esbit}} \cdot {m_{esbit}}}}\]

Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung

Man wiegt eine Brennstofftablette ab (\({{m_{esbit}}}\)), entzündet diese im Kochgestell und stellt den mit Wasser (\({{m_w}}\); \({\vartheta _{w,1}}\)) gefüllten Metalltopf auf das Kochgestell.

Nun wartet man, bis die Tablette vollständig verbrannt ist und bestimmt die Endtemperatur (\({\vartheta _{w,2}}\)) des Wassers.

Messbeispiel
\({{m_{esbit}} = 4,0\rm{g}}\) ;  \({{m_w} = 350\rm{g}}\) ;  \({\vartheta _{w,1}} = 18^\circ \rm{C}\) , \({\vartheta _{w,2}} = 62^\circ \rm{C}\) , also \({\Delta \vartheta  = 44^\circ \rm{C}}\)

Tabellenwerte
\({{H_{esbit}} = 28\frac{{{\rm{kJ}}}}{{\rm{g}}} = 28000\frac{{\rm{J}}}{{\rm{g}}}}\) ; \({{c_w} = 4,19\frac{{\rm{J}}}{{{\rm{^\circ C}} \cdot {\rm{g}}}}}\) (Achte darauf alles auf gleichartige Einheiten zu bringen!)

\[\eta  = \frac{{{c_w} \cdot {m_w} \cdot \Delta \vartheta }}{{{H_{esbit}} \cdot {m_{esbit}}}} \Rightarrow \eta  = \frac{{4,19 \cdot {{10}^{ - 3}} \cdot 350 \cdot 44}}{{28 \cdot 4,0}} = 0,58 = 58\% \]

Sehr übersichtlich werden die energetischen Verhältnisse im sogenannten Energieumwandlungsdiagramm dargestellt:

In den Ottomotoren kommt es zur Verbrennung von Benzin. Dabei wird nicht flüssiges Benzin angezündet, sondern es kommt zur Entzündung eines im Vergaser zubereiteten Benzin-Luft-Gemisches. Warum dies so ist zeigen dir die beiden folgenden Versuche.

1. Versuch

Fünf Tropfen Benzin werden auf eine Uhrglasschale gegeben und entzündet. Das Benzin verbrennt mit ruhiger Flamme.

2. Versuch

Fünf Tropfen Benzin werden in ein Metallrohr eingeträufelt. Mit dem Blasebalg wird das Benzin in der inzwischen verschlossen Rohrleitung zerstäubt, das Benzin-Luftgemisch gelangt in das zylinderförmige Glas, in dem sich Zündelektroden befinden. Schließt man den Schalter an dem Transformator und öffnet man ihn dann wieder, so kommt es zu einem Zündfunken. Das Gemisch verbrennt explosionsartig mit lautem Knall. Der Deckel wird mit Gewalt nach oben in die Luft geschleudert.

Aufgrund des Ergebnisses des 2. Versuches kann man verstehen, dass man bei Ottomotoren nicht flüssiges Benzin in den Kolben leitet, sondern ein Benzin-Luft-Gemisch.

Vorsichtsmaßnahmen beim 2. Versuch

  • Deckel auf dem Glaszylinder darf nur leicht aufliegen und auf keinen Fall klemmen
  • Schutzglasscheibe verwenden oder geeignetes Drahtnetz über Glasrohr stülpen.
  • Vor jedem Zündversuch (besonders nach vorangegangenen Fehlzündungen) den Zündraum gut entlüften.
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