Adiabatische Expansion
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Adiabatische Expansion p. 30 Isotherme Kompression p. 31 Adiabatische Kompression p. 32 PV‐Diagramm und Arbeit im Carnotzyklus 1. Isotherme Expansion 2. Adiabatisch Expansion 3. Isotherme Kompression 4. Adiabatische Kompression Adiabatengleichung Gesamtbilanz: Gesamtbilanz: p. 33 Thermodynamischer Wirkungsgrad des Carnot‐Zyklus Wirkungsgrad = abgegebene Arbeit normiert auf aufgenommene Wärmemenge g g g g Je Größer die Temperaturdifferenz zwischen warmen und kaltem Reservoir, d ffi i l f i k f hi desto effizienter läuft eine Wärmekraftmaschine Kernkraftwerke betreiben dazu ihren „Kühlkreislauf“ mit flüssigen Metallen K k ft k b t ib d ih Kühlk i l f“ it flü i M t ll (Natrium) Kühlschrank adiabatische Kompression ⇒ Erwärmung des Gases Wä Wärmetauscher (Kühlschlangen an Rückwand) ⇒ t h (Kühl hl Rü k d) K d Kondensation ti Expansionsventil: ⇒ Verdampfung & adiabatische Expansion ⇒ weitere Kühlung ⇒ Verdampfungswärme kühlt die Speisekammer S. 35 Die Dampfmaschine Wasserdampf in Kessel über Kohlenfeuer erhitzt und unter Druck gesetzt Dampfeintritt (rot) in die Kolbenkammer f i i ( ) i di lb k Expansion des heißen Dampfes & Kompression / Ausstoß des kalten Dampfes A t i b über Pleuelstange und Exzenterräder Antrieb üb Pl lt dE t äd Heißer Dampf Kalter Dampf http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Walschaerts_motion.gif Der 4‐Takt Ottomotor: Verbrennungsmotor mit Zündfunke Ausstoß: Verbrennungsgase Ansaugen: Luft/Gas Gemisch 1 Ansaugen 1. Ansaugen 2. Verdichten 3. Arbeitshub 3. Arbeitshub 4. Ausstoß. Der Ottomotor verbrennt Benzin und braucht wg. der relativ geringen Verdichtung einen Zündfunken von der Zündkerze Der 2‐Takt Ottomotor: Kombination von Ansaugen und Ausstoß Ausstoß: Verbrennungsgase Ansaugen http://de.wikipedia.org/wiki/Zweitaktmotor Vorteil: Kein Leistungsverlust durch Leerhub Nachteil Nachteil 50 % mehr Drehmoment als 4‐Takt. Schlechtere Befüllung der Zylinder bei hohen Drehzahlen. Vibrationsärmer größere thermische Belastung größere thermische Belastung Einfache Motorsteuerung Hoher Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen Anwendungen • Schiffsmotoren • Mofas Schmierung häufig problematisch Der Stirlingmotor: die ersten beiden „Takte“ 1 ‐‐> 2: Isotherme Kompression Tkalt = konstant = konstant Wärme Q12 abgegeben Arbeit W12 zugeführt (Volumen sinkt, Druck steigt) 2 ‐‐> 3: Isochore Erwärmung V1 = konstant Wärme Q23 aufgenommen Keine Arbeit verrichtet aber Druck und Temperatur steigen an, weil Wärme vom Regenerator an das Arbeitsgas übergeht Wärme vom Regenerator an das Arbeitsgas übergeht. Der Stirlingmotor: die letzten beiden „Takte“ 3 ‐‐> 4: Isotherme Expansion Twarm = konstant Wärme Q12 aufgenommen Arbeit W Arbeit W12 abgegeben abgegeben (Volumen steigt, Druck sinkt) 4 ‐‐> 2: Isochore Abkühlung V2 = konstant = konstant Wärme Q23 geht vom Gas zum „Regenerator“ Keine Arbeit verrichtet, da Volumen konstant http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:STIRL_1234_SCHEMA.PNG, mod. M. Arndt 4‐1) Isochore Abkühlung 3‐4) Isotherme EExpansion 2‐3) Isochore Erw wärmung 1‐2) Issotherme K Kompressio on Praktischer Aufbau des Stirlingmotors Animation des Stirlingmotors 1. Animation unter: http://www.k‐wz.de/vmotor/stirling.html 2. Versuch im Hörsaal Idealer und realer Stirlingmotor Abweichungen vom Ideal durch Sinusoidalen Antrieb, statt „Rechteck Antrieb statt Rechteck“ Antrieb (s. links) Antrieb (s links) Toträume für das Gas Unvollständige Wärmespeicherung im Reservoir Hohe Gasgeschwindigkeit: imperfekte Isothermie Mechanische Reibung (Gesamtverluste s. rechts unten) http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:TOTRAUM_SINUS_DISK.PNG http://www.k-wz.de/vmotor/stirling.html Warum ist der Stirlingmotor technisch interessant ? Benötigt nur Wärmegradienten, keinen Brennstoff: Emissionsfrei, wenn externe Wärmequellen nutzbar sind • Solarbetrieb (Satelliten, Raumstationen) • Abwärme: Geothermie Kältemaschine für wissenschaftliche Anwendungen CCD Kameras und Wärmebildkameras (‐100 °C) Kältemittelfreie Kühlaggregate bis 4 K Vibrationsarm (Interferometer, Mikroskope) Kältemittelfrei äl i lf i Leise (keine Explosionen) Aber Wirkungsgrad typisch < 50% des Carnot‐Wirkungsgrads Druckwasserreaktor: eine aktuelle Wärmekraftmaschine (s. auch Temelin…) Siedewasserreaktor: mehr Kontamination, besserer Wirkungsgrad, kleinerer Preis Schneller Brüter: schnelle Neutronen U238 ‐> Pu Kältemaschine, Wärmepumpe Man kann den Carnot‐Zykus invers durchlaufen (Gegenuhrzeigersinn) Dabei wird Wärme aus dem kalten Reservoir in das warme Reservoir Dabei wird Wärme aus dem kalten Reservoir in das warme Reservoir übertragen. Dieser Prozess erfordert Arbeit Definiere die Kälte‐„Leistungszahl“ Beispiel: Tk=270 K, TW=300 K ⇒ ck= 270/30 = 9 D.h. man muss 1/9 der gewonnenen Wärme zuvor als Arbeit aufbringen / p. 48
