Wärmekraftmaschine
In der Technik und Thermodynamik wandelt eine Wärmekraftmaschine Wärmeenergie in mechanische Arbeit um, indem sie die Temperaturdifferenz zwischen einer heißen "Quelle" und einer kalten "Senke" nutzt. Wärme wird von der Quelle über den "Arbeitskörper" des Motors an die "Senke" übertragen, wobei ein Teil der Wärme unter Ausnutzung der Eigenschaften des Gases oder der Flüssigkeit im Inneren des Motors in Arbeit umgewandelt wird.
Es gibt viele Arten von Wärmekraftmaschinen. Jede hat einen thermodynamischen Zyklus. Wärmekraftmaschinen werden oft nach dem von ihnen verwendeten thermodynamischen Zyklus benannt, wie der Carnot-Zyklus. Oft greifen sie alltägliche Namen auf, wie Benzin/Benzin-, Turbinen- oder Dampfmaschinen.
Verbrennungsmotoren erzeugen Wärme im Inneren des Motors selbst. Andere Wärmekraftmaschinen können Wärme aus einer externen Quelle aufnehmen. Wärmekraftmaschinen können zur Luft hin offen oder nach außen hin abgedichtet und verschlossen sein (dies wird als offener oder geschlossener Kreislauf bezeichnet).
Abbildung 1: Schema einer Wärmekraftmaschine. TH ist die Wärmequelle und TC die Kältesenke. QH ist die in den Motor einströmende Wärme. QC ist die Abwärme, die in die Kältesenke fließt. W ist die aus dem Motor austretende Nutzarbeit.
Übersicht
Wenn Wissenschaftler Wärmekraftmaschinen untersuchen, kommen sie auf Ideen für Motoren, die eigentlich nicht gebaut werden können. Diese werden als ideale Motoren oder Zyklen bezeichnet. Echte Wärmekraftmaschinen werden oft mit den idealen Motoren oder Zyklen verwechselt, die sie nachzuahmen versuchen.
Typischerweise wird bei der Beschreibung des physikalischen Geräts der Begriff "Motor" verwendet. Bei der Beschreibung des Ideals wird der Begriff "Zyklus" verwendet.
Man könnte sagen, dass der thermodynamische Zyklus ein Idealfall des mechanischen Motors ist. Man könnte auch sagen, dass das Modell nicht ganz perfekt zum mechanischen Motor passt. Die vereinfachten Modelle und die Idealfälle, die sie darstellen können, sind jedoch von großem Nutzen.
Generell gilt: Je größer der Temperaturunterschied zwischen der heißen Quelle und der kalten Senke, desto effizienter ist der Zyklus oder Motor. Auf der Erde ist die kalte Seite eines jeden Wärmekraftmotors auf die Lufttemperatur des Ortes beschränkt, an dem sich der Motor befindet.
Die meisten Anstrengungen zur Verbesserung der Effizienz von Wärmekraftmaschinen gehen in die Erhöhung der Temperatur der Wärmequelle, aber bei sehr hohen Temperaturen beginnt das Metall des Motors weich zu werden.
Der Wirkungsgrad verschiedener Wärmekraftmaschinen, die heute vorgeschlagen oder eingesetzt werden, reicht von 3 Prozent (97 Prozent Abwärme) für den OTEC-Vorschlag zur Meeresenergie, über 25 Prozent für die meisten Automotoren, über 45 Prozent für ein überkritisches Kohlekraftwerk bis hin zu etwa 60 Prozent für eine dampfgekühlte Kombi-Gasturbine. Alle diese Prozesse gewinnen ihren Wirkungsgrad (oder das Fehlen eines solchen) aufgrund des Temperaturabfalls über sie hinweg.
Die am wenigsten effiziente, OTEC, nutzt den Temperaturunterschied zwischen dem Meerwasser an der Oberfläche und dem Meerwasser aus der Tiefe, ein kleiner Unterschied von vielleicht 25 Grad Celsius, so dass die Effizienz gering sein muss.
Die effizienteste, die Kombikraftwerks-Gasturbine verbrennt Erdgas, um Luft auf fast 1530 Grad Celsius zu erhitzen, ein großer Temperaturunterschied von 1500 Grad Celsius, so dass der Wirkungsgrad sehr groß sein kann, wenn der Dampf-Kühlkreislauf hinzukommt.
Beispiele aus dem Alltag
Die meisten Menschen benutzen Wärmekraftmaschinen, bei denen die Wärme von einem Feuer kommt, das eine Arbeitsflüssigkeit (normalerweise entweder Wasser oder Luft) ausdehnt, und die Wärmesenke ist entweder ein Gewässer oder die Atmosphäre wie in einem Kühlturm.
Bekannte, die die Ausdehnung von erhitzten Gasen nutzen, sind: die Dampfmaschine, der Dieselmotor und der Benzinmotor in einem Auto.
Der Stirlingmotor ist viel seltener, findet sich aber in kleinen Modellen, die mit der Wärme einer Hand laufen können.
Eine Art von Spielzeug-Wärmemotor ist der Trinkvogel.
Ein Bimetallstreifen ist eine Vorrichtung, die Temperatur in mechanische Bewegung umwandelt und in Thermostaten zur Temperaturregelung verwendet wird. Es ist eine Wärmekraftmaschine, die keine Flüssigkeit oder Gas verwendet.
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Fragen und Antworten
F: Was ist eine Wärmekraftmaschine in der Technik und Thermodynamik?
A: Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandelt, indem es den Temperaturunterschied zwischen einer heißen "Quelle" und einer kalten "Senke" nutzt.
F: Wie funktioniert eine Wärmekraftmaschine?
A: Die Wärme wird von der Quelle durch den Arbeitskörper des Motors zur Senke übertragen. Bei diesem Prozess wird ein Teil der Wärme in Arbeit umgewandelt, wobei die Eigenschaften des Gases oder der Flüssigkeit im Motor genutzt werden.
F: Welche thermodynamischen Kreisläufe sind mit Wärmekraftmaschinen verbunden?
A: Es gibt viele Arten von Wärmekraftmaschinen, jede mit einem bestimmten thermodynamischen Zyklus. Sie sind nach dem thermodynamischen Zyklus benannt, den sie verwenden, z. B. dem Carnot-Zyklus.
F: Welche Beispiele für Wärmekraftmaschinen gibt es, die nach Alltagsgegenständen benannt sind?
A: Einige Beispiele für Wärmekraftmaschinen, die nach Alltagsgegenständen benannt sind, sind Benzinmotoren, Turbinenmotoren und Dampfmaschinen.
F: Wie wird bei Verbrennungsmotoren Wärme erzeugt?
A: Verbrennungsmotoren erzeugen die Wärme innerhalb des Motors selbst.
F: Können Wärmemotoren zur Luft hin offen sein?
A: Ja, Wärmekraftmaschinen können zur Luft hin offen oder versiegelt und nach außen abgeschlossen sein. Dies nennt man einen offenen oder geschlossenen Kreislauf.
F: Nehmen alle Wärmekraftmaschinen Wärme von einer externen Quelle auf?
A: Nein, während einige Wärmekraftmaschinen Wärme aus einer externen Quelle aufnehmen können, können andere Wärme innerhalb der Maschine selbst erzeugen.
