Carnot Prozess Dampfmaschine

Carnot Prozess
Der Carnot Prozess beschreibt die maximale Arbeit, die beim Übergang von einer
Wärmequelle zu einer Wärmesenke verrichtet werden kann. Der Carnot Prozess ist ein
idealisierter Prozess, der so in der Realität nicht stattfinden kann. Er hat auch kein
Trägermedium.
Abbildung 1: Carnot Prozess
Der Carnot Prozess besteht aus einer:
1. isentropen Kompression, also einer gleichbleibenden Entropie und einer
Kompression des Arbeitsmediums
2. isothermen Expansion, also einer Ausdehnung bei gleichbleibender Temperatur
3. isentrope Expansion, das Arbeitsmedium expandiert und kann dabei mechanische
Arbeit verrichten.
4. Kondensation, das Arbeitsmedium wird bei gleichbleibender Temperatur
zusammengedrückt und gibt dabei Wärme ab → Kondensiert
Die rotschraffierte Fläche stellt die zugeführte Wärme dar. Man sieht in Abbildung 1, dass
nie die gesamte zugeführte Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann. Dies entspricht
dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik.¹
Dampfmaschine
Die Dampfmaschine funktioniert nach dem Clausius-Rankine-Prozess. Das Trägermedium
ist Wasser.
Abbildung 2: Clausius-Rankine-Prozess für ein Dampfkraftwerk
Ad Abbildung 2: Auf der grünen Linie ist zu sehen, wie das Wasser erhitzt wird. Auf der
horizontalen Linie verdampft es. Der prozentuale Anteil an Wasserdampf wird gegenüber
Wasser immer höher. Wenn 100% des Wassers verdampft ist, wird der Wasserdampf
noch weiter erhitzt.
Anschließend expandiert der Dampf und kann dabei mechanische Arbeit verrichten, z.B.
eine Turbine antreiben. Die Temparatur sinkt dabei. (orange Linie)
Danach kondesiert der Wasserdampf bis wieder 100% Wasser vorhanden sind. (blaue
Linie)
Dann kann der Kreisprozess von Neuem beginnen.¹
4 Takt Ottomotor
Funktionsweise
Ein Viertakt Ottomotor führt während seines Arbeitsganges 4 Takte oder auch Hübe aus
-Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausschieben.
Während des ersten Taktes entsteht im Zylinder ein Unterdruck, da sich der Kolben in
Richtung der Kurbelwelle bewegt. Dadurch öffnet sich das Einlassventil und ein
Luftkraftstoffgemisch wird angesaugt. Der Druckausgleich erfolgt und das Einlassventil
schließt sich wieder.
Im zweiten Takt bewegt sich der Kolben nun wieder von der Kurbelwelle weg und
verdichtet somit das Explosionsgemisch. Zum Zeitpunkt der maximalen Verdichtung, auch
oberer Totpunkt (OT) genannt, wird das Gasgemisch durch einen Funken der Zündkerze
zur Explosion gebracht. Dadurch steigen der Druck und die Temperatur sprunghaft an.
Durch den großen Druck wird im dritten Takt, dem sogenannten Arbeitstakt, der Kolben in
Richtung der Kurbelwelle gedrückt. Mit Hilfe einer Pleuelstange wird die geradlinige
Bewegung des Kolbens auf die Kurbelwelle übertragen. In diesem Takt erhält der Kolben
seinen gesamten Schwung um sowohl die Kurbelwelle anzutreiben als auch die anderen
Takte zu ermöglichen.
Mit Erreichen des unteren Totpunktes (UT) beginnt der letzte und vierte Takt. Der Kolben
bewegt sich durch den Schwung wieder von der Kurbelwelle weg, wodurch sich das
Auslassventil öffnet und die Verbrennungsgase ausgeschoben werden können. Im Laufe
eines Arbeitsganges hat sich die Kurbelwelle also um 720° gedreht.
Parallel zum Bewegen der Kurbelwelle muss noch eine Nockenwelle zur Steuerung der
Ein- und Auslassventile betrieben werden. Diese Nockenwelle darf jedoch nur mit halber
Umdrehungszahl zu der der Kurbelwelle laufen, wegen der zwei vollständigen
Umdrehungen, die die Kurbelwelle während der vier Takte macht. Dies wird meist durch
eine Steuerkette oder einen Zahnriemen realisiert.
Der Kreisprozess für Ottomotoren ist der Otto-Kreisprozess.²
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Wärme der Wärmequelle in mechanische Arbeit
umgewandelt werden kann.
Ottomotor: η= 54% (theoretisch)
η= max 38% (praktisch)
Dampfmaschine η= 3-44%
Theoretische Formel:
η=1- Tmin/Tmax³
Quellen:
¹http://www.youtube.com/watch?v=oJja1LIke8U
²http://techni.chemie.uni-leipzig.de/schueler/version1/start_v1/start_v1.htm
3
http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmekraftmaschine#Wirkungsgrad