Wärmekraftmaschinen

Wärmekraftmaschine einfach erklärt

Was hat es also mit Wärmekraftmaschinen auf sich? Wärmekraftmaschinen wurden bereits in der Antike mit dem Gedanken entwickelt, dass mit Wärme Gegenstände angetrieben werden könnten und damit mechanische Arbeit verrichtet werden könnte.

Aber wie machen Wärmekraftmaschinen das?

Wärmekraftmaschine Prinzip und Aufbau

Wärmekraftmaschinen bedienen sich dem Grundprinzip des Wärmeaustausches.

Wärmekraftmaschinen nutzen also die Temperaturdifferenz zwischen zwei Orten und das Prinzip, dass die Wärme immer vom Ort der Höheren zum Ort der niedrigeren Temperatur strömt. Die Wärmekraftmaschine greift diesen Energiefluss dann ab und wandelt ihn in mechanische Energie um.

Das gesamte Prinzip der Wärmekraftmaschinen kannst Du auch in einem Energieflussdiagramm wie in Abbildung 1 darstellen.

Die Wärme Q₁ fließt vom Ort der höheren Temperatur T₁ in Richtung des Ortes der kälteren Temperatur T₂. Die Wärmekraftmaschine wandelt große Teile der Wärmeenergie in mechanische Energie um, um die mechanische Arbeit W zu verrichten. Dabei kann die Wärmekraftmaschine jedoch nicht die gesamte Wärmemenge Q₁ umwandeln und so strömt noch ein Teil der Wärmemenge von Q₁ als Wärmemenge Q₂ noch an den Ort der kälteren Temperatur T₂ weiter.

Der Aufbau von Wärmekraftmaschinen orientiert sich immer an diesem grundsätzlichen Prinzip, auch wenn sich der genaue Aufbau der Wärmekraftmaschinen von Art zu Art unterscheidet.

Werfen wir als nächstes einen Blick darauf, welche Arten von Wärmekraftmaschinen Du unterscheiden kannst.

Wärmekrafmaschinen Arten und Beispiele

Wärmekraftmaschinen brauchen Wärmeenergie, damit sie mechanische Arbeit betreiben können und genau an dieser Wärmeenergie kannst Du die Arten von Wärmekraftmaschinen unterscheiden. Bei der Klassifizierung von ihnen kommt es nämlich darauf an, auf welche Art die Wärmeenergie erzeugt wird.

Da ist auf der einen Seite die Wärmekraftmaschine, die die Wärmeenergie durch innere Verbrennung erzeugt.

Zu dieser Art der Wärmekraftmaschinen gehören Verbrennungsmotor, egal ob Benzin oder Diesel, wie Du sie in den meisten Autos, LKW's, Zügen und Bussen aktuell noch findet. Auch die Gasturbine ist eine Verbrennungskraftmaschine.

Auf der anderen Seite gibt es die Wärmekraftmaschine, die die Wärmeenergie durch äußere Verbrennung generiert.

Solche zusätzlichen Brennstoffe können Kohle oder Holz sein, die dann durch Verbrennung das Arbeitsmedium wie Wasser, Luft oder andere Gase erhitzen, welche wiederum dann die Arbeit verrichten können. Dampfloks wie der Hogwarts-Express, Dampfmaschinen oder der Stirling-Motor gehören zu dieser Art der Wärmekraftmaschinen.

Eine andere Art der Wärmekraftmaschine, ist die Kältekraftmaschine und die Wärmepumpe, deren Funktionsprinzip Du oben in der Vertiefung bereits kennenlernen konntest. Sie gehören zu den Wärmekraftmaschinen, auch wenn sie das Prinzip der Wärmekraftmaschinen genau umkehren.

Schauen wir uns einmal Beispiele für diese vier Arten der Wärmekraftmaschinen an. Zu jedem der folgenden Artikel kannst Du auch noch einen Blick in unsere ausführlicheren Artikel werfen.

Dampfmaschine

Beginnen wir bei den Beispiel einmal mit der ältesten Art der Wärmekrafmaschinen, der Dampfmaschine. Diese ist eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Das bedeutet es wird ein Brennmedium, meist Kohle eingesetzt um das Arbeitsmedium, hierbei handelt es sich um Wasser, zu erhitzen. Das Wasser kondensiert dabei und das Wasserdampf transportiert die Wärme vom Ort, wo das Wasser erhitzt wurde zum kälteren Ort, wo der Kolben sitzt, durch den die mechanische Arbeit verrichtet wird. Der Dampf drückt auf diesen Kolben und verschiebt ihn, was durch einen komplexen Aufbau wiederum andere Teile der Dampfmaschine in Bewegung versetzt.

Eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine ist die Dampflokomotive, welcher Du zu Beginn des Artikels in Form des Hogwarts-Expresses bereits begegnet bist.

Die Dampfmaschine ist aber nicht das einzige Beispiel für eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Auch der Sterlingmotor ist eine solche Wärmekraftmaschine.

Sterlingmotor

Wie bereits erwähnt ist auch der Sterlingmotor eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Dabei unterscheidet er sich jedoch in wesentlichen Punkten von den Dampfmaschinen. Angefangen dabei, wie die äußere Wärme erzeugt wird. Beim Sterlingmotor ist dies wesentlich freier als bei den Dampfmaschinen, wo überwiegend nur Kohle eingesetzt wurde. In ersten Modellen wurde das Arbeitsmedium lediglich von einem Bunsenbrenner erwärmt. Auch das Arbeitsmedium ist ein anderes. Der Sterlingmotor nutzt überwiegend Gase wie Helium oder auch nur Luft. Manchmal kam auch Wasserstoff zum Einsatz.

Neben dem Sterlingmotor gibt es noch weitere Motoren, die Beispiele für Wärmekraftmaschinen sind. Dazu gehört u.A. auch der Ottomotor.

Ottomotor

Der Ottomotor macht im Gegensatz zu Sterlingmotor einen großen Entwicklungsschritt, denn er ist eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Das heißt, er benötigt kein extra Brennmedium, denn sein Arbeitsmedium kann selbst die benötigte Erwärmung erzeugen.

Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich um Treibstoffe wie Diesel oder Benzin. Diese entflammen sich mit Hilfe eines Funken selbst und während der Verbrennung entstehen Wärmeenergie und Gase, mit deren Hilfe der Kolben bewegt werden kann. Wie bei der Dampfmaschine immer wieder Kohle nachgelegt werden musste, damit die Maschine am laufen bleibt, muss beim Ottomotor immer wieder der Treibstoff nachgeliefert und in den Motor eingespritzt werden, damit dieser weiterläuft.

Kühlschrank

Mit dem Kühlschrank begegnest Du täglich einer Kältekraftmaschine. Das Prinzip der Wärmekraftmaschine wird also genau umgekehrt und dem kühleren Ort wird Wärme entzogen, um diese an einen wärmeren Ort abzugeben.

Das bedeutet, dem Kühlschrankinneren wird die Wärme entzogen, damit die Lebensmittel darin gekühlt werden. Mit Hilfe von mechanischer Arbeit wird diese entzogenen Wärme dann an die Umwelt des Kühlschrankes, in diesem Fall die Küche, abgegeben.

Wärme wird also allgemein gesagt von einem kälteren Innenraum abgeführt und in die wärmere Umwelt abgegeben. Darin unterscheiden sich die Kältekraftmaschine und die Wärmepumpe, obwohl beide das Prinzip der Wärmekraftmaschine umkehren.

Wärmekraftmaschine

Auch die Wärmekraftmaschine transportiert die Wärme von einem kälteren Ort zu einem wärmeren Ort. Allerdings ist der kältere Ort hierbei die Umwelt, z.B. alles außerhalb des Hauses und der wärmere Ort ist dieses mal das Innere also z. B. das innere Deines Hauses, wo Du Dein Wohnzimmer heizen möchtest.

Liegt draußen also Schnee, so wird dieser eh schon kälteren Umwelt als das Hausinnere noch weiter Wärme entzogen, damit Du es im Inneren des Hauses wärmer hast. Da dafür mechanische Arbeit verrichtet werden muss, ist die Wärmemenge, die in deinem Haus ankommt größer als die Wärmemenge, die der Umwelt entzogen wurde.

Bei all diesen Beispielen handelt es sich immer um Kreisläufe bzw. Kreisprozesse. Bleibt die Frage, was es mit diesen Kreisprozessen auf sich hat.

Wärmekraftmaschine Kreisprozess

Der Begriff Kreisprozesse legt nahe, dass es sich um einen Kreislauf handelt. Am Ende also derselbe Zustand erreicht wird, wie er zu Beginn war.

Bei dem Umstand, dass Ausgangs- und Endzustand gleich sind, kommt dazu, dass die Wege der Zustandsänderungen nicht identisch sein müssen. Wenn Hin- und Rückweg anders verlaufen, hinterlassen sie Systemänderungen in anderen Körper zurück, wie beispielsweise verrichtete Arbeit oder übertragene Wärme.

Dargestellt werden Kreisprozesse im p-V-Diagramm. Die vom Diagramm eingeschlossene Fläche ist dabei die hinterlassene Systemänderung, in diesem Fall die Arbeit W, auf der x-Achse ist das Volumen des Arbeitsmedium und auf der y-Achse der Druck des Arbeitsmediums aufgetragen. In Abbildung 3 kannst du einmal ein solches Diagramm für eine Wärmekraftmaschine sehen.

Was es mit diesem Diagramm auf sich hat, lässt sich am einfachsten mit einem kleinen Beispiel erklären.

Der eben beschrieben Kreisprozess ist dabei ein reversiblen Vorgang. In der Realität jedoch, gibt es diese gänzlich reversiblen Prozesse nicht. Es kommt immer zu Energieverlust bei der Umwandlung oder z. B. durch Reibung etc. Entsprechend beschäftigen wir uns in der Realität mit irreversiblen Kreisprozessen. Ein idealisierter Kreisprozess ist der Carnot-Prozess. Er hat den höchst möglichen Wirkungsgrad, während reale Kreisprozesse einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen.

Wirkungsgrad Wärmekraftmaschine

Wärmekraftmaschinen sollen möglichst effektiv Arbeit verrichten. Sie sollen also unter so wenig Aufwand von Wärmeenergie so viel Arbeit wie möglich verrichten.

Es gibt keine idealen Wärmekraftmaschinen, also kann der Wirkungsgrad niemals 1 sein bzw. muss immer kleiner als 100% sein.

Dampflokomotiven wie der Hogwarts-Express hatten übrigens nur einen Wirkungsgrad von ca. 10%. Unter anderem einer der Gründe, warum die Dampflocks heute durch Züge mit höherem Wirkungsgrad ersetzt wurden. Allerdings fahren auch noch vereinzelt Dampflokomotiven auf historischen Strecken. Sie sind Teil einer Geschichte, die ihren Höhepunkt während der Industrialisierung hatte.

Wärmekraftmaschinen Geschichte

Der Gedanke, mit Hilfe von Dampf eine Wirkung zu erreichen, entstand bereits in der Antike. Einer der ersten, der in diesem Bereich wichtige Konstruktionen entwickelte, war Heron von Alexandria rund 100 n. Chr. Er entwickelte den Heronsball. Dieser wurde damals noch als Kuriosität angesehen und fand noch keinen praktischen Einsatz.

Die erste Vorform der Dampfmaschine wurde von Denis Papin 1690 konstruiert. Sie wurde atmosphärische Dampfmaschine genannt und konnte mittels eines beweglichen Kolbens in einem Druckzylinder erste Arbeit verrichten.

Die erste industriell genutzte Dampfmaschine auf Grundlage von Papin entwickelte Thomas Newcomen 1712. Für die Entwicklung brauchte er ganze zehn Jahre Arbeit. Genutzt wurde seine atmosphärische Dampfmaschine zum Abpumpen von Grundwasser, dass in die Bergwerke eindrang.

Nachdem James Watt eine solche Dampfmaschine von Newcomen reparieren sollte, beschäftigte auch er sich mit dieser Technologie und entwickelte die Dampfmaschine weiter. Watts Weiterentwicklung wurde 1769 patentiert und Verbesserung des Wirkungsgrades sorgt für den großen Erfolg der Dampfmaschinen in der Industrialisierung. Neben dem Bergbau wurde der Einsatz der Dampfmaschine immer vielseitiger. 1830 fuhr die erste Dampflokomotive auf den Schienen Englands.

Einer, der wesentlich an der sinkenden Bedeutung von Dampfmaschinen beteiligt war, war Rudolf Diesel. Auch er arbeitete intensiv an Wärmekraftmaschinen und konnte nach vielen Jahren der Arbeit 1897 den ersten funktionsfähigen Dieselmotor als Antriebsart vorstellen. Nach und nach, da auch die Motoren zunächst noch Weiterentwicklung bedurften, verdrängte diese Antriebsart, unterstützt von der Entwicklung der Benzinmotoren zu einer ähnlichen Zeit, die Dampfmaschinen als führende Wärmekraftmaschinen.

Hierin liegt auch der Grund, warum Du nicht mehr so viele Züge wie den Hogwarts-Express auf unseren Schienen siehst. Sie wurden durch Dieselloks ersetzt. Und um die Geschichte ganz zu vervollständigen erlebst Du gerade, wie die Diesel-Loks genauso wie die Diesel- und Benzin- PKWs gerade von Elektrofahrzeugen verdrängt werden.