Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

Prinzip einer Wärmekraftmaschine

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Prinzip einer Wärmekraftmaschine

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:

1 Prinzip einer Wärmekraftmaschine anhand von Energieumwandlungsprozessen

 

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.
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