Wärmekraftmaschinen

Versuche

Kompressionsfeuerzeug

Dieselmotoren sind meist sog. Selbstzündermotoren. Das bedeutet, dass die Motoren im Betrieb ohne Zündkerzen auskommen. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wir nur durch das Komprimieren und die damit verbundene Temperaturerhöhung des Gemischs entzündet.

Veranschaulichung durch das Kompressionsfeuerzeug

Dieses Funktionsprinzip kann sehr anschaulich mithilfe eines Kompressionsfeuerzeugs, auch pneumatisches Feuerzeug, Luftfeuerzeug oder Feuerpumpe genannt, demonstriert werden. Dies im Survival-Bereich beliebte Feuerzeug besteht grundsätzlich aus einem Hohlzylinder, einem passenden Kolben und einem Standfuß oder anderweitigem unteren Abschluss. Auf den Standfuß wird etwas Brennmaterial aufgebracht und anschließend der Hohlzylinder auf den Standfuß gesteckt. Somit ist das untere Ende des Zylinders luftdicht verschlossen. Als "Brennstoff" können hierbei feine Bauwollfasern (erzeugen eine kurze, gut sichtbare Flamme) oder feines Papiergewebe (glimmt mehr und länger) genutzt werden. Alternativ sind auch Zunderpilz oder verkohlte Baumwolle einsetzbar.

Nun wird der Kolben von oben in den Hohlzylinder gebracht. Durch die leicht geölte Gummidichtung schließt der Kolben das Gasvolumen im Zylinder ebenfalls ab.

Durchführung

Um den Brennstoff zu entzünden muss der Kolben nun schnell nach untern gedrückt werden. Das Ergebnis ist im folgenden Video zu beobachten:

Aufgabe

Beschreibe die zentralen physikalischen Vorgänge bei einem Kompressionsfeuerzeug. Gehe dabei insbesondere auch darauf ein, warum der Kolben möglichst schnell nach unten gedrückt werden muss.

Lösung

Durch das Herunterdrücken des Kolbens wird das Volumen \(V\), welches die Luft zwischen Kolben und Standfuß einnehmen kann, reduziert. Da die Luft nicht aus dem Zylinder entweichen kann, steigen sowohl der Druck \(p\) im Kolben als auch die Temperatur \(T\) der Luft, wobei der Druck \(p\) stärker steigt, als das Volumen \(V\) abnimmt. Wird die Luft nun sehr stark und in einem kurzen Zeitraum komprimiert, so steigt die Temperatur der Luft über die Zündtemperatur der Baumwolle. Die feinen Baumwollfasern beginnen zu brennen.

Das Herunterdrücken des Kolbens muss dabei schnell erfolgen, da sonst Wärme an den Hohlzylinder und die Umgebung abgegeben wird und die Temperatur der Luft im Zylinder nicht über die Zündtemperatur der Baumwolle steigt. Nur bei einer sehr schnellen Kompression kann von einer adiabatischen Zustandsänderung ausgegangen werden, also einer Zustandsänderung, bei der keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Das Kompressionsfeuerzeug in klassischer Anwendung

Wie man mithilfe eines solchen Kompressionsfeuerzeuges nicht nur eine kurze Stichflamme erzeugt, sondern ein wirkliches Feuer macht, zeigt das folgende Video. Dabei wird anstelle von einfacher Baumwolle verkohlte Baumwolle (Charcloth) genutzt.