7.%20Thermodynamik

1
7. Thermodynamik
Lies Buch 6RG Seite 5
Ziele dieses Kapitels Kenntnis des Modells des
idealen Gases und seiner Eigenschaften sowie der
Gasgesetze den ersten und zweiten Hauptsatz der
Wärmelehre auf möglichst viele Vorgänge anwenden
können die Sonderstellung der Wärmeenergie
erklären und damit energie- und umweltbewusstes
Verhalten rechtfertigen können die Größenordnung
der für Alltagsverrichtungen notwendigen
Energiemengen abschätzen können hochwertige von
minderwertigen Energieformen unterscheiden
können die Gasgesetze quantitativ an einigen
Beispielen anwenden können.
2
7.1 Die Temperatur
Thermodynamik ist die Lehre von der bewegten
Wärme . Sie beschäftigt sich mit Vorgängen, die
mit Energieumsetzungen verbunden sind. Zu diesem
Kapitel gehören Gasgesetze, Teilchenmodell,
Temperatur, Hauptsätze der Wärmelehre und die
Energieproblematik.
Basisgröße des SI
Symbole t für Temperatur in C, T für
Temperatur in Kelvin
Bei der Messung mit einem Flüssigkeitsthermometer
wird die Tatsache verwendet, dass sich
Flüssigkeiten stärker ausdehnen als Festkörper,
z.B. Hg in der Glaskapillare.
3
Festlegung der Temperatureinheit bei 1013 mbar

• Fixpunkt Gefrierpunkt des Wassers bei 0 C
• 2. Fixpunkt Siedepunkt des Wassers bei 100 C

Den Abstand dazwischen teilt man in 100 gleiche
Intervalle ein. Ein Intervall entspricht 1 K
oder 1 C.
Prinzip der Temperaturmessung
Das Thermometer zeigt nicht die Temperatur der
Umgebung an, sondern seine eigene. Es läuft ein
thermodynamischer Prozess ab, der zu einem
thermodynamischen Gleichgewichtszustand führt.
4
Messgeräte
Flüssigkeitsthermometer
(Hg) 39 C bis 356 C oder Weingeist 100 C
bis 78 C
Bimetallthermometer
Versuch
5
Bimetallthermometer
Der innere Messing-streifen dehnt sich stärker.
Daher geht bei Erwärmung der Zeiger nach rechts.
(Cu gt Fe).
Weitere Anwendung von Bimetallen als
Thermostat, z.B. in Bügeleisen, Boilern
6
Thermoelement
(Der Elektronendruck ist im Kupfer größer als im
Konstantan, also werden im Konstantan mehr
Elektronen sein, im Cu Elektronenmangel. Dies
verstärkt sich bei Erwärmung. Die Kupferseite an
der erwärmten Stelle bildet den Pluspol.
Diese Thermospannung ist ein Maß für die
Temperatur.
Widerstandsthermometer
NTC - Widerstände (Negativer Temperatur -
Koeffizient) Wenn die Temperatur steigt, sinkt
der Widerstand. Dadurch steigt die Stromstärke.
7
Die absolute Temperatur
Lies Versuch B. S. 6
Führe Aufgabe 6.2 und 6.3 durch! Überlege, was
bei einer Temperatur von 273 C (theoretisch)
passiert !
8
C V dm3
0 3
100 4,10
300 6,30
Da die thermische Bewegung der Teilchen mit
abnehmender Tempe-ratur immer geringer wird,
beanspruchen sie fast keinen Raum mehr.
Wir sprechen vom absoluten Nullpunkt der
Temperatur. Daher führt man die neue
Temperaturskala nach Kelvin ein.
9
Einheit 1 Kelvin, 1 K, Der Temperaturunterschie
d 1 K ist gleich groß wie 1 C.
T absolute Temperatur t Temperatur in C
Umrechnung T 273,15 t
Gib deine Körpertemperatur in Kelvin an!
T 273 36,4 309,4 K
10
7.2 Das Modell des idealen Gases
Wiederholung 1 u 1,6610-27kg 1u des
- Atoms.
Beispiel
Wie viel kg CO2 werden bei der Verbrennung von 1
kg Kohle freigesetzt ?
1 kg C enthält mol NA 6,0221023 C
O2 ? CO2
Bei der Verbrennung von 1 kg C entstehen
mol CO2.
Ein mol CO2 hat 44 g.
Es werden 3,665 kg CO2 ausgestoßen.
11
Ein ideales Gas ist ein Medium, dessen Teilchen
im Vergleich zum mittleren Abstand verschwindend
klein sind und nur durch elastische Stöße
wechselwirken. Zwischen den Gasmolekülen wirken
keine Molekularkräfte.
Führe Aufgabe 4 Seite 8 Basiswissen RG 6 aus!
Masse O2 32 N2 28
34,73 mol nNA N
2,091025
Wie viel Raum beansprucht 1kg Luft Raum?
?Luft 1,29 kg/m3
12
Das reale Gas Moleküldurchmesser sind klein
gegen die mittleren Abstände. Molekularkräfte
sind kaum wirksam.
Das Modell des idealen Gases versagt bei

• hoher Dichte

Abstand ist nicht mehr verschwindend klein.

• bei niedriger Temperatur

Kräfte zwischen den Molekülen sind nicht mehr
vernachlässigbar.
Tabelle B. S. 8 abwechselnd vorlesen
13
7.3 Die innere Energie
Um Luft in einem Raum zu erwärmen, muss man
Energie in Form von Wärme zuführen.
Diese Energie führt zu einer Erhöhung der
thermischen Bewegung.
Bereits in der Mechanik Reibung ? innere Energie
Die Summe der kinetischen Energien aller
Gasteilchen bezeichnen wir als innere Energie U.
Mit zunehmender Temperatur wird die thermische
Bewegung stärker, d. h. die mittlere kinetische
Energie der Teilchen nimmt zu.
U ? T
U .... innere Energie T .... absolute Temperatur
14
Ein Gas mit N Teilchen hat eine innere Energie
wobei
Zusammen mit der Beziehung U ? T folgt
Die mittlere kinetische Energie eines
Gasteilchens ist
Genaue Messungen ergaben
mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens
15
Bemerkung 1
Bei realen Gasen können noch andere Energieformen
außer der Translationsenergie dazukommen. (z. B.
Rotationsenergie, Schwingungsenergie, potentielle
Energie)
Bemerkung 2
Beachte
Lies dazu Buch Seite 9.
v 5 -6 -3 5 7 4 6 -6 -7 5

v² 25 36 9 25 49 16 36 36 49 25
v 5 -6 -3 5 7 4 6 -6 -7 5

v²
16
7.4 Der Druck des idealen Gases
Definition des Drucks
Einheit 1 Pascal 1 Newton / m² ( 1 Pa )
1 Pa ist eine sehr kleine Einheit, daher
verwendet man oft
1 bar 105 Pa
Lies Druckwerte auf S. 13 (Basiswissen 6RG)
17
Wovon hängt der Gasdruck ab?
Gas mit N Teilchen Volumen V Teilchendichte
Die Anzahl der Stöße wächst mit der
Teilchendichte und daher auch der Druck
(1)
Der Druck hängt auch ab von der thermischen
Bewegung, also von der Teilchengeschwindigkeit. De
r Druck wirkt in alle Richtungen gleich ist also
ein Skalar. Da v ein Vektor ist, müssen wir eine
skalare Größe nehmen
(2)
und daher p ? T
18
Aus den beiden Beziehungen (1) und (2)
und p ? T ?
Dies ergibt folgende Gleichung
Gasdruck eines idealen Gases.
Berechnung von k
Boltzmannkonstante
Nach dem Satz von Avogadro beansprucht ein Mol
eines jeden Gases bei 273,15K und 1013mbar stets
ein Volumen von 22,4 Litern.
19
7.5 Die Zustandsgleichung des idealen Gases
Die Größen Druck, Volumen und Temperatur werden
als Zustandsgrößen bezeichnet. Zustandsgrößen
sind statistische Größen.
Wir formen die vorige Gleichung um und erhalten
pV NkT
Zustandsgleichung des idealen Gases
Oft wird für die Stoffmenge das Mol verwendet.
n ... Anzahl der Mol N ... Anzahl der
Teilchen, NA... Avogadro-Konstante
N nNA
R .... universelle Gaskonstante R 8,314510(70)
J mol-1K-1
pV nRT
Zustandsgleichung des idealen Gases
20
Rechne Beispiel A3 Seite 15 (BW 6RG)
V 0,01 m3 m 1 kg t 100C ...
N2 n 10,028 35,71 mol O2 n 10,032
31,25 mol
Sonderfälle
Beispiel A4 S. 15 (BW 6RG)
Volumen ist konstant. ?
Isochorer Prozess
Gay - Lussac - Gesetz (1778-1850)
21
Temperatur wird konstant gehalten ?
Isothermer Prozeß
Versuch
Wir schließen einen Drucksensor an eine
Spritze. Der Kolben befindet sich etwa in der
Mitte. Nun verringern wir zunächst das Volumen,
dann vergrößern wir es.
Ergebnis Je kleiner das Volumen, desto größer
der Druck und umgekehrt.
22
(No Transcript)
23
pV nRT da T konstant ?
pV konst Boyle - Mariotte Gesetz (1661)
(1769)
Zeichne den Graphen für die Anfangsbedingungen p0
1 bar und V 10 dm³
Isotherme
24
Beispiel Luftpumpe
Aufgabenstellung
VR 6 dm3 Volumen Rezipient VP 6,5 dm3
Volumen Rezipient Pumpenstiefel
Berechne, nach wie vielen Pumpvorgängen der Druck
auf 0,5 bar gesunken ist!
Temperatur wird konstant gehalten ?
Isothermer Prozeß
25
pV konst
Lösung
p0.VR 1 bar6 dm3
einmaliger Pumpvorgang
nach dem 2. Pumpvorgang
nach dem n. Pumpvorgang
TR p9 0,486 bar
26
7.6 Die Hauptsätze der Wärmelehre
Wiederholung Energieerhaltungssatz
27
7.6.1 Erster Hauptsatz der Wärmelehre
Wie wird Energie in einem nicht abgeschlossenen
System übertragen?
1. Verrichten von Arbeit
Versuch mit Fahrradpumpe.
Wenn wir den Kolben in die Pumpe stoßen, schlagen
wir die Luftteilchen nach unten. Die Luftteilchen
werden dadurch schneller. Die Luft in der Pumpe
wird heiß.
? Zunahme der inneren Energie durch
Verrichten von Arbeit.
28
2. Zufuhr von Wärme
Schnelle Moleküle des heißen Körpers stoßen mit
langsamen des kalten Körpers zusammen.
Diese werden dann schneller, die schnelleren
langsamer.
Energieübertragung hört auf, wenn sich die
Temperaturen einander angeglichen haben. Beide
Körper sind dann gleich warm.
? Zunahme der inneren Energie
29
Q1 gt 0
System
W2 lt 0
W1 gt 0
Q2 lt 0
Die innere Energie U eines Körpers kann sich durch Transport von Energie in Form von Arbeit W und in Form von Wärme Q verändern. ?U W Q
30
Wir betrachten ein abgeschlossenes System aus
Gas
Es wird Q zugeführt. Dadurch wird die innere
Energie erhöht.
Teilweise wird aber auch das Volumen des Gases
vergrößert.
Der äußere Druck bleibt gleich.
Das heiße Gas verrichtet am Kolben die Arbeit
pA?s - p?V
W F?s
Zeichen, weil vom Gas Arbeit verrichtet wird.
Dadurch ergibt sich für den 1. HS. der Wärmelehre
die Formulierung
?U Q p?V
31
Rechne Beispiel A 1 S.21 (BW 6)
Lösung
W pA?s
W 10510-2 10-1 102 J
Es führt zur Abkühlung.
Rechne Beispiel A 5 S. 21 (BW 6)
Lösung
1 kWh 3600000J 3,6106 J
Mechanische Arbeit W 30 kW 3 h 90 kWh
3,24108 J
Freigesetzte Wärme Q 30 3107 J 9108 J
32
7.6.1.1 Die spezifische Wärmekapazität
Zur Erhöhung der Temperatur eines Körpers ist
Energie nötig. Sie ist bei verschiedenen Körpern
unterschiedlich.
Zum Vergleich der verschiedenen Stoffe führen wir
den Begriff der spezifischen Wärmekapazität ein.
Die spez. Wärmekapazität eines Stoffes gibt an,
welche Energie nötig ist, um 1 kg dieses Stoffes
bei konstantem Druck um 1 K zu erwärmen.
Q cpm?T
Führe dazu den Schülerversuch W 2.2 zur
Bestimmung der spez. Wärmekapazität des Wassers
durch.
33
SPEZIFISCHE WÄRME VON WASSER
PROBLEMSTELLUNG Will man z.B. die
Kosten für ein Wannen-bad berechnen, muss man
wissen, wie viel Energie erforderlich ist, um 1
kg Wasser um1 Grad Celsius zu erwärmen.
DURCHFÜHRUNG Ein Messinstrument dient zur Messung
der elektrischen Spannung und ist über zwei Kabel
direkt mit dem Netzgerät (es liefert eine
stellbare Wechselspannung) verbunden.
34
Das andere Messgerät dient zur Messung der
elektrischen Stromstärke. Ein Anschluss ist mit
einer Buchse des Netzgerätes verbunden, der
andere mit einem Anschluss des Tauchheizers. Sein
zweiter Anschluss wird mit der zweiten Buchse
des Netzgerätes verbunden. Miss genau 200 ml (
200 g) Wasser ab (überprüfe mit der Waage) und
gieße es in das Kalorimeter. Miss und notiere die
Wassertemperatur. Halte den Tauchheizer zunächst
außerhalb des Kalorimeters. Kontrolliere, ob
alle Regelknöpfe am Netzgerät auf 0 stehen und
schalte das Netzgerät ein.
Erhöhe die Stromstärke von 0 beginnend langsam
auf 2 A. Notiere die Spannung, die das Messgerät
dabei anzeigt. Hinweis Der Tauchheizer darf
nicht zu lange außerhalb des Kalorimeters
betrieben werden, da sonst der Tauchheizer
Schaden erleiden könnte! Schalte dann das
Netzgerät aus ohne die Reglerstellung zu
verändern. Gib den Tauchheizer ins Kalorimeter,
schalte das Netzgerät ein und setze gleichzeitig
die Stoppuhr in Gang.
35
Während der gesamten Versuchsdurchführung muss
das Kalorimeter leicht geschüttelt werden,
damit sich das Wasser durchmischt und keine
Fehlmessungen auftreten. Lies alle zwei Minuten
die Temperatur ab und trage sie in die Tabelle
ein. Der Versuch wird beendet, wenn das Wasser
eine Temperatur von ca. 40 C hat. Auswertung Mass
e des Wassers m . kg ( ca. 0,2
kg) Stromstärke I ... A Spannung
U ... V Elektrische Energie Spannung x
Stromstärke x Zeit (Joule) WUIt

(Volt) (Ampere) (s)
Zeit (in s) 0 120 240 360
Temperatur (in C)
zugeführte Energie (in J)
36
Überlege Die Temperatur von 0,2 kg Wasser wurde
von ... C auf ... C erhöht, also um
eine Temperaturdifferenz von ... C. Nimm
dabei Anfangs- und Endwert! Dafür war eine
Energiezufuhr von ..... J nötig. Eine
Temperaturerhöhung um 1C bei 0,2 kg Wasser
erfordert daher ..... J, eine
Temperaturerhöhung um 1C bei 1 kg Wasser fünfmal
so viel, also .... J.
Vergleiche Tabelle B. (BW 6) S. 11
Bedeutung der großen spez. Wärmekapazität von
Wasser.
Ev. Versuch 3 verschiedene Metallkegel gleicher
Masse und mit gleichem Öffnungswinkel auf
dieselbe Temperatur erwärmen und dann in Wachs
halten.
Al bohrt das tiefste Loch, weil es die größte
spez. Wärmekapazität von diesen 3 hat.
37
Rechenbeispiel Ein Gasdurchlauferhitzer erwärmt
in 1 min 10 kg Wasser von 14C auf etwa 50 C.
Berechne seine Leistung!
Warum sollte bzw. kann man dies mit einem
elektrischen Durchlauf-erhitzer nicht ausführen?
Seine Nutzleistung ist
38
7.6.1.2 Der Heizwert
Der Heizwert ist jene Energie, die beim
Verbrennen von 1 kg (1 m3) dieses Stoffes frei
wird.
Stoff ? Heizwert
Heizöl extra leicht 830 kg/m3 12,0 kWh/kg
Heizöl leicht 920 kg/m3 11,4 kWh/kg
Erdgas 0,83 kg/m3 11,4 kWh/kg
Steinkohle 750 kg/m3 7,0 kWh/kg
Brennholz Buche 570 kg/m3 4,2 kWh/kg
Brennholz Fichte 360 kg/m3 4,2 kWh/kg
39
Heizwert
Nährwert
40
Einige Heizwerte
Holz 14MJ/kg4kWh/kg Braunkohle
2225MJ/kg67kWh/kg Steinkohle
2529MJ/kg79kWh/kg Benzin 43MJ/kg12kWh/kg
41
Nährwerttabelle
Ein Erwachsener braucht pro Tag ca.
3,5kWh12600kJ, wenn er keine schwere Arbeit
verrichtet. Für unvermeidliche Körperfunktionen
werden etwa 1,7kWh benötigt (Grundumsatz).
Nährwerttabelle kJ kWh
100g Speck 3550 0,99
100g Rindfleisch 500 0,14
1 Hühnerei 300 0,09
100g Vollkornbrot 950 0,26
100g Butter 3150 0,87
100g Zucker 1675 0,47
100g Reis 1550 0,43
100g Kartoffel 300 0,09
1l Vollmilch 3750 1,04
100g Schokolade 2300 0,64
1 Flasche Bier 950 0,26
42
Berechne A 5 s. 21 (BW 6)
Heizwert 3107 J/l P 30 kW
1kWh 3600000 J 3,6 106 J
Lösung
Abgegebene Wärme Q (3107 3,6 106) 30
250 kWh
Mechanische Arbeit W 30 3 90 kWh
Oder
Mechanische Arbeit W 30 kW 3 h 90 kWh
3,24108 J
Freigesetzte Wärme Q 30 3107 J 9108 J
43
7.6.2 Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre
Stammt von Rudolf Clausius (1850 (1822 - 1888))
Wärme fließt von selbst immer von einem Körper
höherer Temperatur zu einem Körper niederer
Temperatur.
Dieser Satz stellt eine Erfahrungstatsache dar.
Ein Perpetuum mobile zweiter Art ist nicht
möglich. (Obwohl es nach dem 1. HS möglich
wäre.) Damit ist die Richtung der Vorgänge
beschrieben.
Der Satz beschreibt z. B. das Funktionieren eines
Thermometers.
44
Irreversibler Vorgang
45
Reversibel irreversibel
Reversible (umkehrbare) Vorgänge, z.B.
elastischer Stoß zweier Kugeln
Irreversible (nicht umkehrbare) Vorgänge, z.B.
Anprall eines Autos gegen eine Wand, Zerbrechen
einer Fensterscheibe, unelastischer Stoß usw.
46
Bemerkungen zum 2. HS der Wärmelehre
Unter Arbeitsaufwand kann sehr wohl Wärme von
einem kalten zu einem warmen Körper übergehen.
(z. B. Kühlschrank, Wärmepumpe, ...)
Ein Körper hat Energie, aber Ein Körper hat Energie, aber
keine Arbeit Er verrichtet Arbeit Unter Arbeit versteht man in bestimmter Form übertragene Energie. (Wirkung einer äußeren Kraft längs eines Wegstückes) keine Wärme Er gibt Wärme ab. Unter Wärme versteht man in bestimmter Form übertragene Energie. ( Berührung von Körpern verschiedener Temperatur)
Nicht korrekt ist die Sprechweise In einem
heißen Stein ist sehr viel Wärme gespeichert. Es
muss heißen Er enthält viel innere Energie.
47
7.7 Wärmekraftmaschinen
Heißes Gas drückt den Kolben nach außen.
Arbeit bei der Volumsausdehnung
Wärmereservoir
W -F?x
pA?x - p?V
Bei dieser Expansion kühlt sich das Gas ab, wenn
keine Wärme zugeführt wird.
p
Die Fläche unter der Kurve im pV-Diagramm stellt
die Arbeit dar.
Dies ist aber nur ein einmaliger Vorgang.
GesuchtPeriodisch arbeitende Maschine
V
48
7.7.1 Stirlingscher Kreisprozess
Wärmereservoir T1
1
1?2 Isotherme Expansion
T1-?T
2?3 Isochore Abkühlung
T1-2?T
2

4
3?4 Isotherme Kompression
T1-n?T
3
Wärmereservoir T2
4?1 Isochore Erwärmung
IsothermenIsochoren
49
Takt Art Beschreibung Größen Bilanz
1. Takt 1 ? 2 Isotherme Expansion Von Wärmereservoir mit T1 wird Q1 zugeführt T1 V1 ? V2 p1 ? p2 Q1
2. Takt 2 ? 3 Isochore Abkühlung Wärme wird an Zwischenreservoire abgegeben reversibler Vorgang V2 T1 ? T2 p2 ? p3 - ?Q
3. Takt 3 ? 4 Isotherme Kom-pression Dabei entstehende Wärme wird an Reservoir mit T2 abgeführt. T2 V2 ? V1 p3 ? p4 - Q2
4. Takt 4 ? 1 Isochore Erwär-mung Aus den Zwischenreservoiren des 2. Taktes wird Wärme zugeführt. V1 T2 ? T1 p4 ? p1 ?Q
W Q1 - Q2
Gesamtbilanz
50
(No Transcript)
51
Vereinfachter Stirlingscher Kreisprozess
p
W1(V2V1)p1
1
W20
Q1
4
W3(V2V1)p2
2
W40
3
V1
V
W(V2V1)(p1p2)
IsobarenIsochoren
Q1(V2V1)p1
52
Thermodynamischer Wirkungsgrad
Dies ist der theoretische Wert für reversible
Kreisprozesse. Der reale Wert ist
53
Rechenbeispiel Berechne den theoretischen
Wirkungsgrad eines Dieselmotors!
Arbeitstemperatur T1 2900K Abgastemperatur
T2 770K

realer Wert maximal 38 - 40.
54
Energiefluss bei Motoren
55
Der Stirlingmotor
Arbeitskolben
Verdrängerkolben
Arbeitstakt 1 nach 2 "Verdichten
Wird die Kurbelwelle mit dem Schwungrad gegen den
Uhrzeigersinn von 1 nach 2 gedreht, verdichtet
der Arbeitskolben die Luft, die sich im kalten
Raum befindet, während der Verdränger sich im
unteren Totpunkt nur wenig bewegt. Anschließend
verschiebt der Verdränger die Luft in den heißen
Raum. Die Luft beginnt sich zu erwärmen und dehnt
sich aus. Dadurch steigt der Druck im gesamten
Motorzylinder.
56
Der Stirlingmotor
Arbeitstakt 2 nach 3 "Heizen und Arbeit
verrichten
Der Verdrängerkolben schiebt die Luft ganz in den
heißen Raum, die Luft dehnt sich soweit wie
möglich aus, der Druck im Motor erreicht das
Maximum. Der Arbeitskolben wird nach oben
gedrückt und treibt über sein Pleuel und die
Kurbelwelle das Schwungrad an.
57
Der Stirlingmotor
Arbeitstakt 3 nach 4 "Expansion und Arbeit
verrichten
Der Arbeitskolben wird noch weiter nach oben
gedrückt, während sich der Verdrängerkolben im
oberen Totpunkt nur wenig bewegt. Anschließend
schiebt der Verdrängerkolben die Luft in den
kalten Raum. Sie beginnt sich abzukühlen und
zieht sich zusammen, der Druck im Motor beginnt
zu fallen.
58
Der Stirlingmotor
Arbeitstakt 4 nach 1 Kühlen und Arbeit
verrichten
Der Verdrängerkolben bewegt sich nach unten und
schiebt die Luft ganz in den kalten Raum, sie
zieht sich zusammen und der Druck fällt auf
seinen Minimalwert. Der Arbeitskolben wird jetzt
vom größeren Außendruck nach unten gedrückt und
treibt über sein Pleuel und die Kurbelwelle das
Schwungrad an.
Danach beginnt wieder der 1. Arbeitstakt
(Stellung 1 nach 2 usw.).
59
Zusammenfassung Stirlingmotor

• Bei einem idealen Stirlingprozess gibt es 4
  nacheinander ablaufende Zustandsänderungen
• Die Luft expandiert isotherm (also bei konstanter
  Temperatur),
• sie wird nach der Expansion isochor (das heißt
  bei konstantem Volumen) im Regenerator
  abgekühlt,
• danach wird sie isotherm komprimiert
• und wieder isochor im Regenerator aufgeheizt auf
  die Anfangstemperatur.
• Danach beginnt der Kreislauf wieder von vorn.

60
1.Takt Expansionsphase Im oberen Teil des
Zylinders wird die Luft erhitzt, der dabei
entstehende Druck bewegt den Arbeitskolben nach
unten. 2.Takt Der um eine Viertelperiode
vorauseilende Verdrängungskolben bewegt sich nach
oben, die Luft strömt durch die Kupferwolle des
Regenerators in den unteren Teil des Zylinders,
gibt dabei ihre Wärmeenergie an die Kupferwolle
ab, sie kühlt sich dadurch ab. 3.Takt
Kompressionsphase Der Arbeitskolben bewegt sich
nach oben und komprimiert dabei die Luft. Die bei
der Kompression entstehende Wärme wird sofort an
den Kühlmantel abgegeben. 4.Takt Der
Verdrängungskolben drückt die Luft in den oberen
Zylinderteil, wobei sie von der Kupferwolle im
Regenerator Wärmeenergie aufnimmt.
Simulation Stirlingmotor
61
Verbrennungsmotoren
Was ist ein adiabatischer Prozess?
Arbeite im Buch Seite 24 und 25 durch!
Adiabatischer Prozess Ist ein Vorgang, bei dem
dem System keine Wärme zugeführt bzw. entzogen
wird.
Bemerkung Eine Adiabate verläuft steiler als
eine Isotherme.
62
(No Transcript)
63
(No Transcript)
64
(No Transcript)
65
Verbrennungsmotoren
Kläre die Begriffe Hubraum Verdichtungsverhältnis

• Viertaktmotor
• Zweitaktmotor
• Dieselmotor

Vergleiche auch Buch RG6 Seite 28 - 29
Takte (Beschreibung wie beim Stirlingschen
Kreisprozess) Zündungsart, Arbeitsdiagramm
(bei Diesel- und Otto-Viertaktmotor) Wirkungsgrad
Treibstoff Simulation Umweltaspekte
66
Zweitaktmotor
67
(No Transcript)
68
Viertaktmotor
http//www.k-wz.de/vmotor/v_zylind.html
69
Viertaktmotor
70
Dieselmotor
71
7.8 Die Wärmepumpe
15bar60C
2,5bar 5C
Wärmepumpe
72
Animation Wärmepumpe
73
Animation Wärmepumpe
74
Arbeitsweise der WP

• 1. Takt 1?2Isobare Verdampfung
• 2. Takt 2?3Adiabatische Kompression
• 3. Takt 3?4Isobare Verflüssigung
• 4. Takt 4?1Adiabatische Expansion

75
(No Transcript)
76
Bilanz
Energieerhaltungssatz
Energiefluss
Q1 W Q2
Q1 Wärme, die aus der Umgebung bezogen wird.
(T1) Q2 Wärme, die an Heizsystem abgegeben
wird. (T2)
Leistungszahl
Moderne Wärmepumpen erzielen eine Leistungszahl 4.
77
Heizkostenvergleich
Übungsaufgabe A1 BW 6RG Seite 31
Ein Haus benötigt zum Beheizen pro Tag eine
Energie von 100 kWh. Vergleiche die Energiekosten
folgender Heizsysteme! (1) Mit einer
Elektroheizung werden 100 der elektrischen
Energie in Wärme umgewandelt, 1 kWh kostet 0,15
Euro. (2) Bei einem Ölofen werden 80 der
Primärenergie zum Heizen genützt, 1 Liter
Heizöl-extra-leicht (? 860 kg m-3) kostet
0,70 Euro. Sein Heizwert beträgt 43 MJ
kg-1. (3) Eine elektrisch betriebene Wärmepumpe
hat die Leistungszahl 4. Für den Betrieb einer
Wärmepumpe bezahlt man in Vorarlberg derzeit
ca.10,94 ct/kWh. (4) Ein Dieselmotor mit dem
Wirkungsgrad ? 0,3 treibt eine Wärmepumpe mit e
4. Ein Liter Diesel (? 860 kg m-3 und
Heizwert 43 MJ kg-1) kostet 0,70 Euro. Die
Abwärme des Motors kann ebenfalls verwendet
werden.
78
Zu (1) Elektroheizung Kosten 1000,13 15
Zu (2) Ölofen Energieeinsatz 100 0,8 125
kWh 450 MJ 450 MJ 43 MJ/kg 10,47 kg. V
m/ ? V 10,47 0,86 12,17 Liter
Heizöl extra leicht Kosten 12,17 0,70
8,52 Zu (3) Elektrische Wärmepumpe Wegen der
Leistungszahl 4 betragen die Kosten 1/4 des
Preises der elektr. Heizung in a) Kosten 15
4 3,75 . ( In Vorarlberg (100 4) 0,1094
2,74 ) Zu (4) gesamte benötigte Wärme
QAbwärme Q 0,7 Betrieb der Wärmepumpe Q
0,3 4 Q 1,2Damit Q 0,7 Q 1,2
100 kWh1,9 Q 100Q 52,63 kWh 189,47 MJm
189, 47 MJ 43 MJ/kg 4,41 kgV 4,41 kg
0,86 kg/dm3 5,13 LiterKosten K 5,13 0,70
/l 3,59
79
Ende