Dampfmaschine

Ganz so wie Lehrer Brömmel uns die Dampfmaschine in der Feuerzangenbowle erklärt, solltest Du es Deinem Lehrer oder Deiner Lehrerin vielleicht nicht erklären. Andererseits, so ganz Unrecht hat er auch nicht, wie Du gleich im Aufbau einer Dampfmaschine sehen kannst.

Dampfmaschine Definition

Was ist denn überhaupt eine Dampfmaschine? Eine Waschmaschine wäscht etwas und die Bohrmaschine bohrt. Da würde es naheliegen, wenn die Dampfmaschine Dampf erzeugt, oder? Das stimmt tatsächlich, jedoch ist das nicht die Hauptfunktion.

Brennmedien sind bei Dampfmaschinen Brennstoffe wie Holz oder Kohle und ein beliebtes Arbeitsmedium ist Wasser bzw. nach Erhitzung dann Wasserdampf. Daher auch die Bezeichnung Dampfmaschine. Mit diesem Arbeitsmedium wird die Wärmeenergie transportiert.

Wasser zur Verdampfung zu bringen, bedeutet aber noch nicht, dass Arbeit verrichtet wird. Dazu benötigt es einen gewissen Aufbau, damit alle beteiligten Aktoren zusammenspielen können.

Dampfmaschine Aufbau

Den grundsätzlichen Aufbau einer Dampfmaschine, wie sie während der Industrialisierung genutzt wurde, siehst Du in Abbildung 1.

Abb. 1: Aufbau einer Dampfmaschine

Im Brennraum wird Holz oder Kohle verbrannt. Diese Wärme wird vom Wasser im darüberliegenden Heizkessel aufgenommen. Das Wasser verdampft dabei.

Über ein Rohr wird der warme Dampf transportiert und verbindet den Heizkessel mit dem mechanischen Teil der Dampfmaschine.

Bei der Mechanik der Dampfmaschine handelt es sich um einen zweiteiligen Zylinder sowie das mit dem Kolben und Regler verbundene Schwungrad. Der Regler kann sich im oberen Zylinder bewegen, und somit regeln, in welche Richtung sich der Dampf bewegen kann. Der Kolben befindet sich im unteren Zylinder und treibt letztlich das Schwungrad an.

An das Schwungrad können dann verschiedene mechanische Geräte angeschlossen werden, um die mechanische Arbeit zu nutzen. Aber wie genau schafft es die Maschine, aus Dampf eine mechanische Arbeit zu machen?

Dampfmaschine Funktion

Die Ausgangssituation ist wie in Abbildung 1. Das Feuer erwärmt das Wasser und es verdampft. Der heiße Wasserdampf gelangt in den oberen Teil des zweiteiligen Zylinders.

Wie in der folgenden Abbildung 2 gezeigt, ist der Regler im ersten Schritt so eingestellt, dass der heiße Wasserdampf links nach unten zum Kolben strömt. Der heiße Wasserdampf erzeugt einen Druck, wodurch der Kolben nach rechts bewegt wird. Gleichzeitig treibt der Kolben das Schwungrad an.

Abb. 2: Funktionsweise einer Dampfmaschine Schritt 1

Das Schwungrad ist aber nicht nur mit dem Kolben, sondern auch mit dem Regler verbunden. Der Regler wird somit nach links bewegt. Währenddessen kann der vom Kolben verdrängte, kühlere Wasserdampf austreten. Da sich beim Abkühlen von Gasen das Volumen verringert, "zieht" hier sozusagen der kühle Wasserdampf durch einen Unterdruck im Austrittsrohr am Kolben.

Das geschieht so lange, bis der Regler ganz nach links bzw. der Kolben ganz nach rechts verschoben wurde und sich das Schwungrad um eine halbe Umdrehung gedreht hat.

Im zweiten Schritt passiert jetzt passiert das Gleiche wie im ersten, nur in die entgegengesetzte Richtung (Abbildung 3). Der heiße Wasserdampf strömt nun rechts am Regler vorbei hinter den Kolben. Dadurch wird der Kolben nach links bewegt.

Abb. 3: Funktionsweise der Dampfmaschine Schritt 2

Das Schwungrad wird weiterbewegt und gleichzeitig der Regler nach rechts bewegt. Der jetzt vom Kolben verdrängte, kühlere Wasserdampf kann auch hier wieder, jetzt über die linke Seite, austreten und hilft beim Bewegen des Kolbens.

Dampfmaschine Energieumwandlung

Damit es in der Dampfmaschine überhaupt zu einer Bewegung kommt, muss Wasserdampf durch Wärme entstehen. Die Wärme kommt aus der Verbrennung eines Brennstoffs, wie Holz oder Kohle. Bei der Verbrennung wird die chemische Energie vom Brennstoff in thermische Energie (Wärme) umgewandelt und auf das Wasser übertragen.

Das Wasser siedet, wird also zu Wasserdampf. Dabei steigt das Volumen stark an. Da das Volumen aber durch den Kolben begrenzt ist, steigt auch gleichzeitig der Druck. Merke, das geschieht alles aufgrund der Temperaturerhöhung, also aufgrund der thermischen Energie im Wasserdampf.

Durch den Druck wird der Kolben bewegt. Der Wasserdampf kann sich nun ausbreiten, und kühlt dabei ab. Die thermische Energie vom Wasserdampf wird dabei in kinetische Energie des Kolbens und somit des Schwungrads umgewandelt.

Das kannst Du wie folgt zusammenfassen:

Die Idee, durch die Energieumwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie Arbeit zu verrichten, kam bereits in der Antike auf und fand ihren Höhepunkt während der Industrialisierung.

Dampfmaschine Geschichte

Die Dampfmaschine sah nicht immer so aus, wie Du sie in Abbildung 1 betrachten kannst. Bis dahin war es ein langer und zeitaufwendiger Weg. Ähnlich wie das mit Deinem Smartphone, nur über einen längeren Zeitraum. Frag doch mal Deine Eltern, wie ihre ersten Handys aussahen. Gewiss nicht so wie das Smartphone, das Du täglich nutzt.

Die Geschichte der Dampfmaschine beginnt schon in der Antike. Heron von Alexandria konstruierte bereits rund 100 n. Chr. mit dem Heronsball eine erste Wärmekraftmaschine.

Wasser wird in einem dichten Kessel erhitzt. Dadurch steigt Wasserdampf nach oben in den drehbar gelagerten Ball. Dort befinden sich zwei dünne Austrittsstellen, wie Wasserdüsen, nur für den Wasserdampf. Aufgrund des Rückstoßes beim Austritt dreht sich der Ball.

Abb. 4: Heronsball

Heron’s Konstruktion wurde zu seiner Zeit zunächst als etwas Kurioses wahrgenommen und nicht weiter verfolgt. Erst 1690 trat die erste Dampfmaschine in Erscheinung.

Dampfmaschine Erfinder

Der Franzose Denis Papin präsentierte 1690 die Dampfmaschine. Mithilfe von Wasserdampf, Kolben und Zylinder war dieser Prototyp in der Lage, mechanische Arbeit zu verrichten.

In einen Zylinder wird Wasser gefüllt. Nach oben ist der Zylinder durch einen Kolben verschlossen. Wird das Wasser erhitzt, entsteht durch den Wasserdampf ein großer Druck, der den Kolben bewegt. Beim Abkühlen bewegt sich der Kolben dann in dessen Ausgangslage zurück. Zum Verrichten einer Arbeit am Kolben muss also ständig von außen erhitzt und wieder abgekühlt werden.

Durch Thomas Savery wurde aus dem Prototyp acht Jahre später die erste dampfbetriebene Vorrichtung, mit der Grundwasser aus Bergwerken abgepumpt werden konnte.

Wirklich rentabel und wirkungsvoll war das Prinzip jedoch noch nicht. Wesentlich effizienter war die Weiterentwicklung zur atmosphärischen Dampfmaschine von Thomas Newcomen. Die Arbeit wurde zwar effizienter, allerdings mussten Kolben und Zylinder abgekühlt werden, was zusätzliche Energie verbrauchte. Das Optimum der Dampfmaschine war noch nicht erreicht.

James Watt Dampfmaschine

James Watt sollte einmal eine Dampfmaschine von Newcome reparieren. Daraufhin beschäftigte auch er sich mit der Technologie und erfand eine Dampfmaschine, deren Wirkungsgrad höher war, als die von Newcome. Er ließ sich sein Prinzip 1769 patentieren und fortan wurden alle neuen Dampfmaschinen nach seinem Vorbild gebaut.

Mit diesem Durchbruch kommen immer mehr Forscher auf revolutionäre Ideen, wie die Dampfmaschine außerhalb des Bergbaus eingesetzt werden könnte. So begann 1807 die Ära der Dampfschifffahrt und 1835 die der Dampflokomotive.

Ende der Technologie

Während der Industrialisierung erlebte die Dampfmaschine ihren absoluten Bedeutungshöhepunkt. Sie war der ausschlaggebende Faktor für maschinell verrichtete Arbeit. Aber auch die Ära der Dampfmaschine endete. Mit der Entwicklung von Benzin- und Dieselmotoren verloren sie immer weiter an Bedeutung, da der Wirkungsgrad der Motoren besser war, als der der Dampfmaschinen. Heute findest Du sie noch in Museen oder vereinzelte Dampflokomotiven noch auf historischen Bahnlinien.