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Verdampfen (nur Physik 9 I) : Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen) kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen. Wärmemaschinen (Physik 9 I und II/III) : Dampfmaschine D ampfturbine G asturbine G u D -Kraftwerk Verbrennungsmotor Kühlschrank. - PowerPoint PPT Presentation
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Wärmemaschinen
Verdampfen (nur Physik 9 I):Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen)kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen.
Wärmemaschinen (Physik 9 I und II/III) :
Dampfmaschine Dampfturbine Gasturbine GuD-Kraftwerk Verbrennungsmotor Kühlschrank
Verdampfen Verdampfen ist der allgemeine Begriff für die Änderung des Aggregatzustands (durch Sieden oder Verdunsten):
aus „Newton“ Physik 9 I-III, Oldenbourg
Sieden Verdunsten
Kochen in den Bergen „Siedeverzug“ (Auto- kühler, Reagenzglas)
Schwitzen Wetter Kältespray beim Sport
Prinzip der Wärmenutzung
1) Wärmeübertragung führt zu mechanischer Arbeit (Expansion eines Arbeitsgases)
o fortlaufende Zuführung des erhitzten Arbeitsgases (Dampf-, Gasturbine, Strahltriebwerk).
o periodischer Prozess als „Kreisprozess“ (Dampfmaschine, Verbrennungsmotor, Heißluftmotor)
2) Mechanische Arbeit führt zu Wärmeübertragung
(Kompression eines Arbeitsgases)o periodischer Prozess als „Kreisprozess“ (Kühlschrank und
Klimaanlage, „Wärmepumpen“)
Prinzip der Wärmenutzung
Bei hoher Temperatur T1
zugeführte Wärmemenge(aus Wärmebad oderGaszündung):
Q1 = Fläche (I, II, V2,V1)
Abgegebene Wärmemenge
Q2 = Fläche (IV, III, V2,V1) V1 V2
nutzbare Energie Wnutz = Q1 – Q2 , also = Wnutz / Q1
= Q1 – Q2 / Q1 = 1 - Q2 / Q1 , Wirkungsgrad
Wirkungsgrad von Wärmemaschinenfür beliebiges Volumen Vk gilt:
also:
VkV1 V2
( )kk
n Rp T T T
V
1 1
2 2
( )
( )k
k
p T T
p T T
2 2
1 1
1 1Q T
Q T
Die Flächen der grünen Streifen
unter den Isothermen verhalten sich
wie die Temperaturen T1 und T2.
Dies gilt näherungsweise auch für
die Gesamtflächen Q1 und Q2:
Wirkungsgrad von Wärmemaschinen
η = Wnutz / Weingesetzt
=>
Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter und abgegebener Wärme,
desto höher ist der Wirkungsgrad.
1 kühl
heiß
T
T
Dampfmaschine Prinzip: heißer Wasserdampf wird in einem Druckgefäß
eingeschlossen; der Dampfdruck wird gezielt auf einen Kolben geführt, wodurch dieser bewegt
wird.
Wirkungsgrad:
obere Prozesstemperatur: je nach Kesselfestigkeit ca. 120°C = 393 Kuntere Prozesstemperatur (Umgebungstemperatur) ca. 15°C = 298 K
η = 1 - 298 K / 393 K = 24%theoretischer Wirkungsgrad; realistisch sind wegen der Reibungsverluste im Gerät, der Wärmeabstrahlung der Bauteile typisch 10%
Dampfturbinenkraftwerk
Prinzip: Wasser wird verdampft, Dampf wird über eine Turbine entspannt und anschließend im
Kondensator gekühlt
Vorteile:
Gegenüber Dampf-
maschine höherer Druck
und höhere obere Betriebs-
temperatur; durch den
Kondensator niedrigere
Endtemperatur.
Wirkungsgrad: 40 %
Gasturbinenkraftwerk (GuD)
Prinzip: Verbrennung des Gases in einer Gasturbine, Abwärme wird zur Verdampfung von Wasser genutzt, das eine Dampfturbine antreibt.
Vorteil:
sehr hohe obere Betriebstemperatur
hoher Wirkungsgrad < 60%
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads
Ökologisch und wirtschaftlich ist der Gesamtwirkungsgrad von Bedeutung:wieviel des eingesetzten (fossilen, nuklearen) Brennstoffs wird tatsächlich in irgendeiner Form genutzt ?
o Nutzung der Restwärme aus dem Kondensator für Treibhausheizung, Wärmung von Fischzuchtbecken
o Verwendung einer erhöhten Restwärme zur Fernheizung (Kraft/Wärme – Kopplung)
Verbrennungsmotor
Zwei konkurrierende Verbrennungsmethoden:
Fremdzünder (Ottomotor): Gemisch aus Brennstoff und Luft wird nur mäßig verdichtet, Verbrennungsstart durch äußeren Zündfunken.
Selbstzünder (Dieselmotor): Luft wird so stark komprimiert, daß der eingespritzte Brennstoff spontan verbrennt.
Wirkungsgrad: je nach Verdichtung und Brenntemperatur bei ca. 30% bis 35% , (Diesel ca. 10% besser als Ottomotor, zudem weniger Energiebedarf bei der Brennstoffherstellung)
TSI (Twincharged Stratified Injection) von Volkswagen:Direkteinspritzung mit Ladeluft-Kompressor und Abgasturbo, derenEinsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt.
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