6. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre

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Physik : Wärmelehre
6. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre
Wie zu erwarten war, wenn es einen ersten Hauptsatz der Wärmelehre gibt, so muss es auch
einen zweiten geben...
Um den zweiten Hauptsatz formulieren zu können, müssen wir uns zunächst grundlegende
Kenntnisse betreffend thermodynamischen Kreisprozessen aneignen. Der Stirlingmotor als
prominentes Beispiel eignet sich hierfür vorzüglich.
6.1 Der Stirling – Motor
1806 hat Robert Stirling, ein schottischer Priester und Ingenieur eine brauchbare
Wärmekraftmaschine, eben den Stirlingmotor, erfunden und gebaut.
Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (in einem
Kreisprozess) umwandelt.
Bekannte Wärmekraftmaschinen sind:
 Watts Dampfmaschine
 Benzinmotor (Otto-Motor)
 Dieselmotor
 Stirling-Motor
Vorteilhaft am Stirlingmotor ist, dass er zudem noch ein sogenannter Heissluftmotor ist, d.h. die
Wärmeenergie wird von aussen an den Motor herangeführt.
Er ist also nicht wie der Benzin- oder Dieselmotor auf die "innere" Verbrennung eines
besonderen Kraftstoffes angewiesen.
Ein Stirlingmotor kann mit beliebigen Wärmequellen arbeiten, z.B. mit Solarenergie. Ingenieure
versuchen die wartungsarmen Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der dritten Welt
einzusetzen. Hierbei wird als Wärmequelle das mit einem Parabolspiegel gebündelte
Sonnenlicht verwendet.
Frage:
Auffallend an dem oben abgebildeten Stirlingmotor sind die vielen Kühlrippen. Welche Rolle
spielen sie? Es ist doch eigenartig, dass man gleichzeitig gezielt heizt und forciert kühlt...
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Energiefluss im Stirlingmotor:
Obwohl wir noch nicht wissen, wie der Stirlingmotor funktioniert, können wir bereits seinen
Energiefluss skizzieren!
Wir wissen, dass es zwei Wärmequellen gibt:

Eine heisse Wärmequelle: Temperatur Theiss (Flamme)

Eine kalte Wärmequelle: Temperatur Tkalt (Kühlrippen)
Funktionsweise des Stirlingmotor:
Der Stirlingmotor besteht zunächst mal aus einem Zylinder mit beweglichem Arbeitskolben. Der
Zylinder ist hermetisch dicht und beinhaltet eine bestimmte Menge Gas (typischerweise Helium
oder Luft).
Der Stirlingmotor nutzt die physikalischen Tatsachen, dass sich Gase bei Erwärmung ausdehnen
und bei Abkühlung zusammenziehen.



Das Gas wird in einem Kreisprozess abwechselnd erhitzt und gekühlt.
Das Volumen des Gases variiert demnach periodisch.
Der Arbeitskolben des Zylinders bewegt sich also hin und her und kann so mechanische
Arbeit verrichten.
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Um den Wechsel von heiss zu kalt schnell genug zu realisieren, bedarf es eines technischen
Tricks.
 Eine Seite des Zylinders ist immer heiss (Flamme) und
 die andere Seite immer kalt (Kühlrippen).
 Der Verdrängerkolben, den es zusätzlich zum Arbeitskolben braucht, schiebt das Gas
abwechselnd und der heissen zur kalten Seite und zurück.
(Der Verdrängerkolben dient auch zur Zwischenspeicherung von Wärme.)
Die beiden Kolben werden mittels
Pleuelstangen, welche am Schwungrad
exzentrisch befestigt sind, angetrieben.
Die Bewegung des Verdrängerkolbens ist
90° phasenverschoben gegenüber dem
Arbeitskolben.
Dünne Pleuelstange = Verdrängerkolben
Dicke Pleuelstange = Arbeitskolben
Die vier Takte des Stirlingmotors:
(Das Schwungrad dreht sich im Uhrzeigersinn)
1. Takt:
2. Takt:
3. Takt
4. Takt
Verdrängerkolben bewegt sich kaum
″
nach links
″
bewegt sich kaum
″
nach rechts
Arbeitskolben nach rechts
″
bewegt sich kaum
″
nach links
″
bewegt sich kaum
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Vokabular:
 isotherm : die Temperatur des Gases ist konstant während dem Takt
 isochor : das Volumen des Gases ist konstant


Expansion : Volumen des Gases nimmt zu
Kompression : Volumen des Gases nimmt ab
Beim Stirlingmotor haben wir also:
 Isothermer Prozess (Expansion oder Kompression) : Arbeitskolben bewegt sich
 Isochorer Prozess (Abkühlung oder Erwärmung) : Verdrängerkolben bewegt sich
Das p-V - Diagramm des Stirlingmotors
Thermodynamische Kreisprozesse werden häufig mit Druck-Volumen - Diagrammen illustriert.
Skizzieren wir nun das p-V – Diagramm des (idealen) Stirlingprozesses:
(Empfohlene Internetseite: http://www.k-wz.de/vmotor/stirling.html )
Aus dem p-V – Diagramm ist ersichtlich, dass das Gas nach den vier Takten wieder beim
Ausgangspunkt angelangt ist. Das Gas ist gewissermassen im Kreis gegangen.
Man bezeichnet eine Abfolge von Zustandsänderungen, bei der wieder der Ausgangszustand
erreicht wird, als Kreisprozess.
Nach einem vollständigen Kreisprozess gilt:
Die Änderung von Temperatur, Druck, Volumen und innerer Energie sind Null.
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