Hast Du auch schon einmal davon geträumt mit dem Hogwarts-Express in die zauberhafte Schule zu fahren und vom sprechenden Hut in eines der vier Häuser eingeteilt zu werden?
Nichts einfacher als das. Geschwind auf Gleis 9 3/4 und schon stehst Du vor dem Hogwarts-Express. Eine wunderschöne alte Dampflock in schwarz und rot, aus deren Schornstein schon der Dampf steigt. Bereit, für eine unvergessliche Fahrt. Aber Moment mal? Warum raucht es denn so?
Beim Hogwarts Express handelt es sich um eine Dampflock, eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine und damit ein Beispiel für Wärmekraftmaschinen. Nur, schauen wir einmal auf unsere Gleise, sehen wir so gut wie keine Dampflocks mehr und wenn, dann nur noch auf historischen Strecken. Dampflocks scheinen nicht mehr so recht in unsere Zeit zu passen, aber es gibt noch Wärmekraftmaschinen, die heutzutage genutzt werden. Was das für Wärmekraftmaschinen sind und was es mit der Wärmekraftmaschine auf sich hat, erfährst Du in folgendem.
Wärmekraftmaschine einfach erklärt
Was hat es also mit Wärmekraftmaschinen auf sich? Wärmekraftmaschinen wurden bereits in der Antike mit dem Gedanken entwickelt, dass mit Wärme Gegenstände angetrieben werden könnten und damit mechanische Arbeit verrichtet werden könnte.
Der Begriff Wärmekraftmaschinen bezeichnet Maschinen, bei denen die Gesetzte der Wärmelehre genutzt werden, um mechanische Arbeit zu verrichten.
Aber wie machen Wärmekraftmaschinen das?
Wärmekraftmaschine Prinzip und Aufbau
Wärmekraftmaschinen bedienen sich dem Grundprinzip des Wärmeaustausches.
Das Grundprinzip des Wärmeaustausches beschreibt den Umstand, dass wenn zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in direkten Kontakt zueinander gebracht werden, ein Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Körpern stattfindet.
Dabei gibt der Körper der höheren Temperatur Wärme ab und der Köper mit der niedrigeren Temperatur nimmt diese abgegebene Wärme auf. Die abgegebene und die aufgenommene Wärmemenge sind dabei gleich groß.
Wärmekraftmaschinen nutzen also die Temperaturdifferenz zwischen zwei Orten und das Prinzip, dass die Wärme immer vom Ort der Höheren zum Ort der niedrigeren Temperatur strömt. Die Wärmekraftmaschine greift diesen Energiefluss dann ab und wandelt ihn in mechanische Energie um.
Das gesamte Prinzip der Wärmekraftmaschinen kannst Du auch in einem Energieflussdiagramm wie in Abbildung 1 darstellen.
Die Wärme Q1 fließt vom Ort der höheren Temperatur T1 in Richtung des Ortes der kälteren Temperatur T2. Die Wärmekraftmaschine wandelt große Teile der Wärmeenergie in mechanische Energie um, um die mechanische Arbeit W zu verrichten. Dabei kann die Wärmekraftmaschine jedoch nicht die gesamte Wärmemenge Q1 umwandeln und so strömt noch ein Teil der Wärmemenge von Q1 als Wärmemenge Q2 noch an den Ort der kälteren Temperatur T2 weiter.
Wärmepumpen und auch Kältekraftmaschinen kehren das Prinzip der Wärmekraftmaschinen genau um. Unter Aufbringen von mechanischer Arbeit W wird Wärme vom Ort der niedrigeren Temperatur über die Wärmekraftmaschine an den Ort der höheren Temperatur transportiert.
Der Aufbau von Wärmekraftmaschinen orientiert sich immer an diesem grundsätzlichen Prinzip, auch wenn sich der genaue Aufbau der Wärmekraftmaschinen von Art zu Art unterscheidet.
Werfen wir als nächstes einen Blick darauf, welche Arten von Wärmekraftmaschinen Du unterscheiden kannst.
Wärmekrafmaschinen Arten und Beispiele
Wärmekraftmaschinen brauchen Wärmeenergie, damit sie mechanische Arbeit betreiben können und genau an dieser Wärmeenergie kannst Du die Arten von Wärmekraftmaschinen unterscheiden. Bei der Klassifizierung von ihnen kommt es nämlich darauf an, auf welche Art die Wärmeenergie erzeugt wird.
Da ist auf der einen Seite die Wärmekraftmaschine, die die Wärmeenergie durch innere Verbrennung erzeugt.
Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung werden auch Verbrennungskraftmaschinen genannt. Bei der inneren Verbrennung werden findet die Verbrennung der Treibstoffe und das Verrichten der mechanischen Arbeit im selben Raum, dem Arbeitszylinder statt. Die Gase, die bei der Verbrennung entstehen, verrichten die Arbeit.
Der Treibstoff wird auch als Arbeitsmedium bezeichnet, da er direkt an der Verrichtung der mechanischen Arbeit beteiligt ist.
Zu dieser Art der Wärmekraftmaschinen gehören Verbrennungsmotor, egal ob Benzin oder Diesel, wie Du sie in den meisten Autos, LKW's, Zügen und Bussen aktuell noch findet. Auch die Gasturbine ist eine Verbrennungskraftmaschine.
Auf der anderen Seite gibt es die Wärmekraftmaschine, die die Wärmeenergie durch äußere Verbrennung generiert.
Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung beschreiben Wärmekraftmaschinen, bei denen zusätzliche Brennstoffe benötigt werden, die das Arbeitsmedium erhitzen, damit dieses die mechanische Arbeit verrichten kann.
Die zusätzlichen Brennstoffe werden auch als Brennmedium bezeichnet.
Solche zusätzlichen Brennstoffe können Kohle oder Holz sein, die dann durch Verbrennung das Arbeitsmedium wie Wasser, Luft oder andere Gase erhitzen, welche wiederum dann die Arbeit verrichten können. Dampfloks wie der Hogwarts-Express, Dampfmaschinen oder der Stirling-Motor gehören zu dieser Art der Wärmekraftmaschinen.
Eine andere Art der Wärmekraftmaschine, ist die Kältekraftmaschine und die Wärmepumpe, deren Funktionsprinzip Du oben in der Vertiefung bereits kennenlernen konntest. Sie gehören zu den Wärmekraftmaschinen, auch wenn sie das Prinzip der Wärmekraftmaschinen genau umkehren.
Kältekraftmaschinen entziehen einem kälteren, abgeschlossenen Raum Wärme und geben diese in die wärmere Umwelt ab. Wärmepumpen entziehen der kälteren Umwelt Wärme und geben diese in einen wärmeren, abgeschlossenen Raum ab.
Schauen wir uns einmal Beispiele für diese vier Arten der Wärmekraftmaschinen an. Zu jedem der folgenden Artikel kannst Du auch noch einen Blick in unsere ausführlicheren Artikel werfen.
Dampfmaschine
Beginnen wir bei den Beispiel einmal mit der ältesten Art der Wärmekrafmaschinen, der Dampfmaschine. Diese ist eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Das bedeutet es wird ein Brennmedium, meist Kohle eingesetzt um das Arbeitsmedium, hierbei handelt es sich um Wasser, zu erhitzen. Das Wasser kondensiert dabei und das Wasserdampf transportiert die Wärme vom Ort, wo das Wasser erhitzt wurde zum kälteren Ort, wo der Kolben sitzt, durch den die mechanische Arbeit verrichtet wird. Der Dampf drückt auf diesen Kolben und verschiebt ihn, was durch einen komplexen Aufbau wiederum andere Teile der Dampfmaschine in Bewegung versetzt.
Eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine ist die Dampflokomotive, welcher Du zu Beginn des Artikels in Form des Hogwarts-Expresses bereits begegnet bist.
Die Dampfmaschine ist aber nicht das einzige Beispiel für eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Auch der Sterlingmotor ist eine solche Wärmekraftmaschine.
Sterlingmotor
Wie bereits erwähnt ist auch der Sterlingmotor eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Dabei unterscheidet er sich jedoch in wesentlichen Punkten von den Dampfmaschinen. Angefangen dabei, wie die äußere Wärme erzeugt wird. Beim Sterlingmotor ist dies wesentlich freier als bei den Dampfmaschinen, wo überwiegend nur Kohle eingesetzt wurde. In ersten Modellen wurde das Arbeitsmedium lediglich von einem Bunsenbrenner erwärmt. Auch das Arbeitsmedium ist ein anderes. Der Sterlingmotor nutzt überwiegend Gase wie Helium oder auch nur Luft. Manchmal kam auch Wasserstoff zum Einsatz.
Neben dem Sterlingmotor gibt es noch weitere Motoren, die Beispiele für Wärmekraftmaschinen sind. Dazu gehört u.A. auch der Ottomotor.
Ottomotor
Der Ottomotor macht im Gegensatz zu Sterlingmotor einen großen Entwicklungsschritt, denn er ist eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Das heißt, er benötigt kein extra Brennmedium, denn sein Arbeitsmedium kann selbst die benötigte Erwärmung erzeugen.
Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich um Treibstoffe wie Diesel oder Benzin. Diese entflammen sich mit Hilfe eines Funken selbst und während der Verbrennung entstehen Wärmeenergie und Gase, mit deren Hilfe der Kolben bewegt werden kann. Wie bei der Dampfmaschine immer wieder Kohle nachgelegt werden musste, damit die Maschine am laufen bleibt, muss beim Ottomotor immer wieder der Treibstoff nachgeliefert und in den Motor eingespritzt werden, damit dieser weiterläuft.
Kühlschrank
Mit dem Kühlschrank begegnest Du täglich einer Kältekraftmaschine. Das Prinzip der Wärmekraftmaschine wird also genau umgekehrt und dem kühleren Ort wird Wärme entzogen, um diese an einen wärmeren Ort abzugeben.
Das bedeutet, dem Kühlschrankinneren wird die Wärme entzogen, damit die Lebensmittel darin gekühlt werden. Mit Hilfe von mechanischer Arbeit wird diese entzogenen Wärme dann an die Umwelt des Kühlschrankes, in diesem Fall die Küche, abgegeben.
Wärme wird also allgemein gesagt von einem kälteren Innenraum abgeführt und in die wärmere Umwelt abgegeben. Darin unterscheiden sich die Kältekraftmaschine und die Wärmepumpe, obwohl beide das Prinzip der Wärmekraftmaschine umkehren.
Wärmekraftmaschine
Auch die Wärmekraftmaschine transportiert die Wärme von einem kälteren Ort zu einem wärmeren Ort. Allerdings ist der kältere Ort hierbei die Umwelt, z.B. alles außerhalb des Hauses und der wärmere Ort ist dieses mal das Innere also z. B. das innere Deines Hauses, wo Du Dein Wohnzimmer heizen möchtest.
Liegt draußen also Schnee, so wird dieser eh schon kälteren Umwelt als das Hausinnere noch weiter Wärme entzogen, damit Du es im Inneren des Hauses wärmer hast. Da dafür mechanische Arbeit verrichtet werden muss, ist die Wärmemenge, die in deinem Haus ankommt größer als die Wärmemenge, die der Umwelt entzogen wurde.
Bei all diesen Beispielen handelt es sich immer um Kreisläufe bzw. Kreisprozesse. Bleibt die Frage, was es mit diesen Kreisprozessen auf sich hat.
Wärmekraftmaschine Kreisprozess
Der Begriff Kreisprozesse legt nahe, dass es sich um einen Kreislauf handelt. Am Ende also derselbe Zustand erreicht wird, wie er zu Beginn war.
Kreisprozesse beschreiben in der Wärmelehre den Umstand, dass sich ein Arbeitsmedium nach Ende der Vorgänge im System wieder in seinem Ausgangszustand befindet. Es gilt also:
Ausgangszustand = Endzustand
Dabei werden zwei Kreisprozesse unterschieden:
- Der rechtsdrehende Kreisprozess (im Uhrzeigersinn) beschreibt den Kreislauf bei einer Wärmekraftmaschine.
- Der linksdrehende Kreisprozess (gegen den Uhrzeigersinn) beschreibt den Kreislauf bei einer Kältekraftmaschine oder Wärmepumpe.
Bei dem Umstand, dass Ausgangs- und Endzustand gleich sind, kommt dazu, dass die Wege der Zustandsänderungen nicht identisch sein müssen. Wenn Hin- und Rückweg anders verlaufen, hinterlassen sie Systemänderungen in anderen Körper zurück, wie beispielsweise verrichtete Arbeit oder übertragene Wärme.
Dargestellt werden Kreisprozesse im p-V-Diagramm. Die vom Diagramm eingeschlossene Fläche ist dabei die hinterlassene Systemänderung, in diesem Fall die Arbeit W, auf der x-Achse ist das Volumen des Arbeitsmedium und auf der y-Achse der Druck des Arbeitsmediums aufgetragen. In Abbildung 3 kannst du einmal ein solches Diagramm für eine Wärmekraftmaschine sehen.
Was es mit diesem Diagramm auf sich hat, lässt sich am einfachsten mit einem kleinen Beispiel erklären.
Stell Dir Zylinder vor, der mittels eines nach oben beweglichen Kolbens verschlossen ist und von unten erhitzt werden kann. Ausgangspunkt ist der Punkt 1.
Die Luft im Zylinder steht unter Druck, der Kolben sitzt in seiner Ausgangsposition. Nun wird die Luft langsam erhitzt. Die Luft nimmer Wärmeenergie auf und dehnt sich aus (Volumen nimmt zu, weshalb Punkt 2 weiter rechts als Punkt 1 liegt). Es wird Arbeit verrichtet, indem der Kolben aus dem Zylinder gedrückt wird und der Druck auf das Gas verringert sich dabei (weshalb Punkt 2 unter Punkt 1 sitzt).
Deine Wärmequelle hat jetzt kein Brennmedium mehr, sodass die Luft nicht weiter erwärmt wird. Das Gas beginnt sich abzukühlen und verrichtet dabei wieder Arbeit. Dabei dehnt sich das Gas noch etwas weiter aus, bis es unter normalem Druck steht (weshalb Punkt 3 weiter recht als und unterhalb von Punkt 2 liegt).
Nun Beginnt der Vorgang, bei dem die Luft erneut komprimiert wird. Diese geschieht unter Aufwendung von Arbeit, wobei der Kolben wieder in den Zylinder gedrückt wird. Während des Komprimierens gibt die Luft wieder Wärmeenergie ab. Das Volumen der Luft wird gezwungener maßen verkleinert, der Druck steigt (weshalb Punkt 4 weiter links als und oberhalb von Punkt 3 liegt).
Als letztes wird die Luft kühlt noch weiter ab, bis sie sich in ihrem Ausgangszustand befindet und der Kreislauf von neuem Beginnen kann.
Der eben beschrieben Kreisprozess ist dabei ein reversiblen Vorgang. In der Realität jedoch, gibt es diese gänzlich reversiblen Prozesse nicht. Es kommt immer zu Energieverlust bei der Umwandlung oder z. B. durch Reibung etc. Entsprechend beschäftigen wir uns in der Realität mit irreversiblen Kreisprozessen. Ein idealisierter Kreisprozess ist der Carnot-Prozess. Er hat den höchst möglichen Wirkungsgrad, während reale Kreisprozesse einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen.
Wirkungsgrad Wärmekraftmaschine
Wärmekraftmaschinen sollen möglichst effektiv Arbeit verrichten. Sie sollen also unter so wenig Aufwand von Wärmeenergie so viel Arbeit wie möglich verrichten.
Der thermische Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen gibt an, wie viel der zugeführten Wärme für mechanische Arbeit genutzt werden kann.
Berechnet wird der Wirkungsgrad η als Quotient aus der mechanischen Arbeit W und der zugeführten Wärme Q:
Es gibt keine idealen Wärmekraftmaschinen, also kann der Wirkungsgrad niemals 1 sein bzw. muss immer kleiner als 100% sein.
Dampflokomotiven wie der Hogwarts-Express hatten übrigens nur einen Wirkungsgrad von ca. 10%. Unter anderem einer der Gründe, warum die Dampflocks heute durch Züge mit höherem Wirkungsgrad ersetzt wurden. Allerdings fahren auch noch vereinzelt Dampflokomotiven auf historischen Strecken. Sie sind Teil einer Geschichte, die ihren Höhepunkt während der Industrialisierung hatte.
Wärmekraftmaschinen Geschichte
Der Gedanke, mit Hilfe von Dampf eine Wirkung zu erreichen, entstand bereits in der Antike. Einer der ersten, der in diesem Bereich wichtige Konstruktionen entwickelte, war Heron von Alexandria rund 100 n. Chr. Er entwickelte den Heronsball. Dieser wurde damals noch als Kuriosität angesehen und fand noch keinen praktischen Einsatz.
Die erste Vorform der Dampfmaschine wurde von Denis Papin 1690 konstruiert. Sie wurde atmosphärische Dampfmaschine genannt und konnte mittels eines beweglichen Kolbens in einem Druckzylinder erste Arbeit verrichten.
Die erste industriell genutzte Dampfmaschine auf Grundlage von Papin entwickelte Thomas Newcomen 1712. Für die Entwicklung brauchte er ganze zehn Jahre Arbeit. Genutzt wurde seine atmosphärische Dampfmaschine zum Abpumpen von Grundwasser, dass in die Bergwerke eindrang.
Nachdem James Watt eine solche Dampfmaschine von Newcomen reparieren sollte, beschäftigte auch er sich mit dieser Technologie und entwickelte die Dampfmaschine weiter. Watts Weiterentwicklung wurde 1769 patentiert und Verbesserung des Wirkungsgrades sorgt für den großen Erfolg der Dampfmaschinen in der Industrialisierung. Neben dem Bergbau wurde der Einsatz der Dampfmaschine immer vielseitiger. 1830 fuhr die erste Dampflokomotive auf den Schienen Englands.
Die erste Wärmekraftmaschine, die mechanische Arbeit verrichten konnte wurde 1690 von Denis Papin entwickelt. Weiterentwickelt wurde die Dampfmaschine von Thomas Newcomen 1712 und schließlich patentiert wurde die nochmalige Weiterentwicklung von James Watt 1769. Ihre Hochzeit erlebte die Dampfmaschine während der Industrialisierung. Danach nahm ihre Bedeutung langsam ab, als sie von den Verbrennungsmaschinen verdrängt wurde
Einer, der wesentlich an der sinkenden Bedeutung von Dampfmaschinen beteiligt war, war Rudolf Diesel. Auch er arbeitete intensiv an Wärmekraftmaschinen und konnte nach vielen Jahren der Arbeit 1897 den ersten funktionsfähigen Dieselmotor als Antriebsart vorstellen. Nach und nach, da auch die Motoren zunächst noch Weiterentwicklung bedurften, verdrängte diese Antriebsart, unterstützt von der Entwicklung der Benzinmotoren zu einer ähnlichen Zeit, die Dampfmaschinen als führende Wärmekraftmaschinen.
Hierin liegt auch der Grund, warum Du nicht mehr so viele Züge wie den Hogwarts-Express auf unseren Schienen siehst. Sie wurden durch Dieselloks ersetzt. Und um die Geschichte ganz zu vervollständigen erlebst Du gerade, wie die Diesel-Loks genauso wie die Diesel- und Benzin- PKWs gerade von Elektrofahrzeugen verdrängt werden.
Wärmekraftmaschinen - Das Wichtigste
- Wärmekraftmaschinen sind Maschinen, bei denen die Gesetzte der Wärmelehre genutzt werden, um mechanische Arbeit zu verrichten. Sie wandelnd Wärmeenergie in mechanische Energie um, während erstere eigentlich vom Ort höherer zum Ort geringerer Temperatur strömt.
- Den Energiefluss zwischen dem Ort der höheren und dem Ort der niedrigeren Temperatur mit dem Abführen der mechanischen Energie kann in einem Energieflussdiagramm dargestellt werden
- Der Aufbau jeder Wärmekraftmaschine ist individuell, beruht aber immer auf dem Prinzip des Wärmeflusses
- Du unterscheidest zwischen verschiedenen Arten der Wärmekraftmaschinen:
- Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung wie der Dieselmotor bei dem die Verbrennung des Treibstoffes die entsprechenden Gase zum Antrieb der Maschine erzeugt
- Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung wie die Dampfmaschine, bei der ein äußeres Medium wie Kohle verbrannt wird, damit das Arbeitsmedium z. B. Wasser erhitzt wird
- Der Kreisprozesseiner Wärmekraftmaschine beschreibt den Umstand, dass sich das Arbeitsmedium nach Ende der Vorgänge im System wieder in seinem Ausgangszustand befindet. Dargestellt werden die Kreisprozesse in eine p-V-Diagramm.
- Der thermische Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen gibt an, wie viel der zugeführten Wärme für mechanische Arbeit genutzt werden kann. Berechnet wird der Wirkungsgrad η als der Quotient aus der mechanischen Arbeit W und der zugeführten Wärme Q:
- Die erste Wärmekraftmaschine wurde mit dem Heronsball bereits von Heron von Alexandria ca. 100 n. Chr. erfunden. 1690 wurde die Wärmekraft das erste Mal unter dem Gedanken eingesetzt, mechanische Arbeit zu verrichten.
Nachweise
- Giancoli (2019). Physik (4. aktualisierte Auflage). Pearson Deutschland GmbH
- Oberholz, ed. (2013). DORN-BADER Physik in einem Band. Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH
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