Energieumwandlung - Fritz Haber Institute
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Lange Nacht der Wissenschaften Energieumwandlung Die starke Seite der Brennstoffzelle Abteilung Anorganische Chemie, Fritz-Haber-Institut der MPG, Faradayweg 4-6, D-14195 Berlin, Germany Energieerhaltung und Energieumwandlung mechanische E. elektrische E. η max ≈ 45% chemische E. mechanische E. η max ≈ 65% Wärme mechanische E. chemische E. elektrische E. η max ≈ 50% η max ≈ 83% Energieerhaltung Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und auch nicht verschwinden. Verschiedene Energieformen (mechanische E., chemische E., elektrische E., Wärme) können ineinander umgewandelt werden. Lichtenergie elektrische E. η max ≈ 25% potentielle E. η ≈ 90% Wärme – Sorgenkind unter den Energieformen Experiment kinetische E. Wärmekraftmaschine To Wie gut kann man Wärme wieder in Arbeit umwandeln? Energie kann nicht verschwinden! qab w …fragte sich 1824 der junge französische Physiker Sadi Carnot… Warum dann Energiesparen? …und errechnete den maximal möglichen Wirkungsgrad für eine Wärmekraftmaschine: Bei jeder Energieumwandlung entsteht Wärme! Energieumwandlung in einer Brennstoffzelle qzu Tu η max Tu w = = 1− < 1 qab To Energieumwandlung in einer Wärmekraftmaschine Energieumwandlung: Wärme mechanische Energie Energieumwandlung: Chemische Energie Elektrische Energie + Wärme Elektrodenreaktionen Prinzip Beispiele: Anode: 2H2 → 4H+ + 4eKathode: O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O Dampfmaschine Gesamt: 2H2 + O2 → 2H2O η max vs. Θ ∆ rG = = 0.83 Θ ∆ rH Stirling - Motor η > 0.5 η ≈ 0.56 η ≈ 0.33 ∆rHΘ = - 572kJ/mol, ∆rGΘ = - 474kJ/mol maximal möglicher Wirkungsgrad: (bei 25°C und 101.325kPa) Otto - Motor, Diesel Prinzip: Ein Arbeitsgas durchläuft einen thermodynamischen Kreisprozess. Wärme fließt von einem hohen Temperaturniveau To auf ein tieferes Temperaturniveau Tu. Ein Teil der Wärme wird in Arbeit umgewandelt. Beispiel: 4-Takt Otto Motor: Da neben elektrischer Energie auch Wärme entsteht ist der praktisch erreichbare Wirkungsgrad geringer als der theoretisch mögliche! (typische Werte liegen bei 40-60%) Für eine praktische Anwendung ist der Gesamtwirkungsgrad entscheidend 1.: Ansaugen Beispiel: Gesamtwirkungsgrad Auto H2 Brennstoffzelle E-Motor Getriebe Räder 2.: Verdichten 3.: Arbeiten 4.: Ausstoßen Beispiel: Gesamtwirkungsgrad Auto Benzin/Diesel Motor/Getriebe 3 Räder 2 4 η gesamt = ∏ η i ≈ 0.40 η gesamt = ∏ 1 η i ≈ 0.25
