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Grundwissen

Überblick über Wärmekraftmaschinen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Wärmekraftmaschinen erleichtern uns an vielen Stellen im Alltag das Leben.
  • Die Dampfmaschine war die erste wichtige Wärmekraftmaschine.
  • Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist begrenzt.

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.

Notwendigkeit von Maschinen

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.

Nutzung von Tieren, Wind und Wasser

Abb. 1 Pferdebetriebenes Mühlrad

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 im Bild).

Um der täglichen Schinderei auszukommen, ersannen die Menschen schon sehr früh Apparaturen, welche die "Kraft des Wassers" bzw. die "Kraft des Windes" ausnutzten. Mit solchen Apperaturen konnten auch deutlich größere Kräfte aufgebracht werden, als mit Tieren. 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.

Entwicklung der Dampfmaschine

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. Eine Dampfmaschine kann dabei an einem beliebigen Ort aufgebaut und mit geringem Aufwand immer genutzt werden. Sie benötigt nur eine bestimmte Menge an Wasser und Brennstoff für ein Feuer. Die Umwandlung der inneren Energie des Dampfes in mechanische Energie geht  jedoch 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 10-15% von der zugeführten Wärme werden von der Dampfmaschine in mechanische Arbeit umgewandelt. Das physikalische Grundprinzip einer Wärmekraftmaschine kann in einem einfachen Versuch dargestellt werden.

Auslöser der industriellen Revolution

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 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. Die Erfindung der Dampfturbinen (Wirkungsgrad um 50%) und der Benzin-Verbrennungsmotoren leiteten das Ende der "Dampfmaschinen-Zeit" ein.

Aufgabe

Beschreibe die Vorteile von einer Wärmekraftmaschine wie z.B. der Dampfmaschine gegenüber dem Einsatz von Tieren und zuvor genutzten Antriebsmaschinen.

Lösung

Gegenüber Tieren bieten Wärmekraftmaschinen den Vorteil, dass mit den Maschinen deutlich größere Kräfte als von Tieren aufgebracht werden können.  Auch werden die Maschninen niemals "müde" und benötigen keine Pausen.

Gegenüber den zuvor genutzten Antriebsmaschinen, die mit Wasser- oder Windkraft arbeiteten, bieten Wärmekraftmaschinen den Vorteil der Unabhängigkeit von äußeren Umständen. Wärmekraftmaschinen können mit relativ wenig Aufwand immer betrieben werden, während man auf den Wind für Windkraftmaschinen gar keinen Einfluss hat und Wasserkraftmaschinen immer große Mengen an fließendem Wasser benötigen.