Transkript Energieumwandlung im Verbrennungsmotor
Hallo! Ich bin euer Physik Siggi. Heute werde ich euch einige Beispiele von Energieumwandlungen zeigen und speziell auf die eingehen, die man durch Volumenänderungen erreicht. Dabei werdet ihr den Verbrennungsmotor kennenlernen. Zunächst werde ich euch kurz die Wärmekraftmaschine erläutern. Es wäre gut, wenn ihr dafür schon über das ideal Gas, das Gasgesetz und den ersten Hauptsatz der Wärmelehre bescheid wisst. Zu allen Themen findet ihr bei mir Videos. Was ist eine Wärmekraftmaschine? Immer wenn ihr etwas Wärme verwendet, um damit einen mechanischen Prozess auszulösen. So habt ihr eine Wärmekraftmaschine gebaut. Der Motor eines Autos ist eine Wärmekraftmaschine, genauso wie die Dampfmaschine oder die Turbine in einem Kraftwerk. Jedes Mal wird Wärme genutzt, um daraus Arbeit zu verrichten. Die Wärme wird in mechanische Arbeit umgewandelt. Im Kraftwerk wird die mechanische Arbeit dann sogar noch in eine andere Energieform umgewandelt, nämlich in elektrische Energie. Diese Energieumwandlungen gehen aber nicht ohne Verluste vonstatten. Ein kleiner Teil der zugeführten Wärme geht wieder als Wärme verloren. Die Maschinen erhitzen sich und die Umgebung. Im Auto ist das im Winter ganz nützlich. Wir haben dann gleich eine Heizung dabei. Dies alles sind Wärmekraftmaschinen. Es gibt auch noch Kraftwärmemaschinen, zum Beispiel der Kühlschrank. Dort wird etwas Wärme und etwas mechanische Arbeit in viel Wärme umgewandelt. Doch zunächst möchte ich auf die Wärmekraftmaschine eingehen. Dort wird meistens zunutze gemacht, dass eine Volumenänderung eine Energieumwandlung mit sich bringt. Betrachten wir hierfür ein Gas in einem Zylinder mit einem verschiebbaren Kolben. Wir kennen das Gasgesetz. P×V=N×kbt×T. Ein Gas wird mit den Größen Druck, Volumen, Temperatur und Teilchenzahl beschrieben. Steigt zum Beispiel der Druck bei gleichbleibendem Volumen und konstanter Teilchenzahl, so bedeutet dies, dass die Temperatur auch steigen muss beziehungsweise bewirkt eine Erhöhung der Temperatur bei gleichbleibender Teilchenzahl und gleichbleibendem Volumen eine Erhöhung des Drucks. Lege ich den Kolben also auf eine Herdplatte, wie diesen Kochtopf hier, so wird sich das Gas genauso erwärmen, wie das Wasser. Der Druck in dem Zylinder wird also steigen. Dieser Druck bewirkt dann allerdings, dass sich der Kolben nach außen verschieben kann, wenn ich die Bremse löse. Das liegt daran, dass im Ausgangszustand, bevor wir den Kolben erwärmt haben, der äußere Luftdruck und der Druck des Gases im Gleichgewicht standen. Und ein Druckgleichgewicht ist nach Druck=Kraft/Fläche auch ein Kräftegleichgewicht. Wenn beide Seiten gleichstark auf die gleiche Fläche A drücken, so bewegt sich der Kolben nicht. Steigt nun jedoch der Druck des Gases aufgrund der Wärme und löse ich danach die Bremse, so wird sich der Kolben nach außen verschieben, da nun ja der innere Druck größer ist und somit auch die innere Kraft. Während sich der Kolben verschiebt, sinkt allerdings der Druck des Gases, da die Teilchen nun ja mehr Platz haben. Der Kolben bewegt sich also so lange, bis der Druck des Gases so weit gesunken ist, dass die Kraft nicht mehr ausreicht, um gegen die Kraft des Luftdrucks zu pressen. Es hat sich wieder ein Kräftegleichgewicht eingestellt. Die Temperatur des Gases sinkt während dieses Prozesses auch. Ihr müsst euch eins merken: Verdichtet man ein Gas, so steigt seine Temperatur und sein Druck. Wird der Raum eines Gases vergrößert, so sinkt seine Temperatur und auch sein Druck. Nehmen wir den Kolben wieder von der Herdplatte weg, so ist am Ende unseres Beispiels die Temperatur wieder bis zur Ausgangstemperatur gesunken. Die Wärme der Herdplatte wurde zunächst also in innere Energie umgewandelt. Die Temperatur des Gases ist gestiegen. Danach wurde die innere Energie verwendet, um den Kolben zu bewegen. Das Volumen ist gestiegen, die Temperatur gefallen. Mit der Temperatur ist auch die innere Energie gesunken. Innere Energie wurde also in Volumenarbeit umgewandelt. Wenn dabei keine Wärme verloren gegangen ist, so gilt nach dem 1.Hauptsatz der Wärmelehre: Die Änderung der inneren Energie = die zugeführte Arbeit + die zugeführte Wärme. Die Änderung der inneren Energie ist allerdings gleich 0, da das Gas ja am Schluss wieder die gleiche Temperatur hat. Demnach wurde die gesamte zugeführte Wärme in Volumenarbeit umgewandelt. In der Realität ist diese Effektivität von 100% jedoch nicht möglich. Ein großer Teil der zugeführten Wärme geht als Wärme wieder verloren. Nur ein kleiner Teil kann in Arbeit umgewandelt werden. Der Verbrennungsmotor, wie ihr ihn im Auto seht, arbeitet genauso. Man kann den Vorgang in vier Takte unterteilen. Zunächst wird im 1.Takt ein Benzin-Luft-Gemisch durch das Einlassventil angesaugt. Danach wird im 2.Takt bei geschlossenen Ventilen am Kolben Arbeit verrichtet. Er wird so weit weit zusammengedrückt, bis sich das Luft-Benzin-Gemisch sehr verdichtet und erwärmt hat und somit leicht entzündlich ist. Arbeit wurde hier zunächst in Wärme umgewandelt. Im 3.Takt passiert das bisher Beschriebene. Wird der Raum eines Gases vergrößert, so sinkt seine Temperatur und auch sein Druck. Dabei entsteht sehr viel Wärme. Diese Wärme wird in Volumenarbeit umgewandelt, sodass der Kolben sich nach außen bewegt und das Gas dabei abgekühlt wird. Da der Kolben an der Kurbelwelle angebracht ist, wird die Arbeit genutzt, um den Kolben wieder nach innen zu schieben und bei geöffnetem Auslassventil die Abgase nach außen zu drücken. Dies war der 4.Takt. Im nächsten und wieder 1.Takt wird die Arbeit genutzt, um bei geöffnetem Einlassventil neues Gemisch wieder anzusaugen. Der Zyklus wird wiederholt. Entscheidend ist der 3.Takt. Dort wird die Wärmeenergie genutzt, um die Kurbelwelle wieder zu bewegen. Alle 4 Takte wird sie also angestoßen. Die Drehung der Kurbelwelle wird dann schließlich an die Reifen weitergeleitet und das Auto fährt. Die chemische Energie des Benzins wurde also in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie wurde schließlich in Volumenarbeit und damit in mechanische Energie umgewandelt. Dabei hat das Auto natürlich keine perfekte, 100-prozentige Umwandlung. Vieles der gewonnenen Wärme geht wieder als Wärme verloren. Bei dem Motor ist natürlich wichtig, dass die gewonnene Arbeit im 3.Takt größer ist, als die Arbeit, die benötigt wird, um das Abgas auszustoßen und das neue Gemisch wieder anzusaugen und zusammenzupressen. Ich hoffe ihr habt nun verstanden, dass eine Volumenänderung eine Energieumwandlung mit sich bringt. Entweder verkleinere ich mit zugeführter Arbeit das Volumen und dabei entsteht Wärme oder ich führe Wärme zu und dabei vergrößert sich das Volumen. Also entsteht Volumenarbeit. Diesen Prozess könnt ihr im Video der 2.Hauptsatz der Wärmelehre noch mal näher kennenlernen. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Videobeschreibung
Der Verbrennungsmotor ist eine der bekanntesten Wärmekraftmaschinen. In diesem Video wollen wir den 4-Takt Motor näher unter die Lupe nehmen. Dafür wiederholen wir kurz verschiedene Formen der Energieumwandlung und schauen uns an, was passiert, wenn man ein ideales Gas komprimiert oder erwärmt. Danach wenden wir uns direkt dem Verbrennungsmotor zu. Dir wird Schritt für Schritt
erklärt, was in jedem Takt vorgeht und wo man dort die einzelnen Energieumwandlungen findet. Abschließend beschäftigen wir uns noch kurz mit dem Wirkungsgrad.
Der Tutor:
danke Physik Siggi
@Physik Siggi
@Maximilian
Aus U=U(T) und dT=0 folgt dU=0 und aus dU= Q+A und dU=0 folgt A =-Q. OK. Dass die gesamte Wärme Q in Arbeit A verwandelt wurde, kann man also aus dU=0 und dT=0 folgern, wenn U=U(T) gilt. Könntest Du/Ihr mir netter Weise noch erklären, wie U=U(T) mathematisch-physikalisch begründet wird? Mit dem idealen Gasgesetz?
@Siggi: Stimmt. Gut, dass du das nochmal klar gestellt hast ;-)
Hallo Maximilian, Die ÄNDERUNG der inneren Energie ist Null. Du hast die Wärme, die du reingesteckt hast komplett in Arbeit umgewandelt(um den Kolben zu verschieben). Die ÄNDERUNG der inneren Energie ist also irgendwo auch von einer Volumenänderung abhängig, in Kombination mit einer Wärmezufuhr. Die INNERE ENERGIE SELBST ist vor und nach dem Prozess gleich (da ja die ÄNDERUNG Null ist). Demnach hängt die INNERE ENERGIE SELBST nicht vom Volumen ab. Das gilt aber nur unter den Randbedingunge: Ideales Gas (keine Stöße zwischen den Teilchen) und die ganze Wärme wird für Volumenarbeit aufgebraucht, also dT=0.
@Maximilian Thomas: Vielen Danke für die Infos! U ist also u.a. eine Funktion von Temperatur und Volumen. Die Zustände die in Minute 6 verglichen werden, haben aber nur die gleiche Temperatur nicht aber das gleiche Volumen. Warum soll dann U für beide Zustände gleich sein? Nochmal Danke für die Rückmeldung.
@Msheurich: Ja, unter anderem. Der 1. HS der Thermodynamik sagt ja, dass dU = Q + W. Und die Volumenarbeit W ist das Produkt aus Druck mal Volumenänderung, W=p*deltaV.
Also hängt U unter anderem von V ab.
Vergrößert man das Volumen, kühlt sich das Gas ab und die innere Energie sinkt. Komprimiert man das Volumen, erwärmt sich das Gas und die innere Energie steigt.
@Maximilian Thomas: Sorry verstehe ich nicht. Ist U abhängig vom Volumen V?
@Msheurich: Richtig. Die innere Energie U hängt von der Wärme und der Arbeit ab. Wird z.B. Wärme Q zugeführt, so steigt die Temperatur T und die innnere Energie nimmt zu. In diesem Beispiel wird aber diese zugeführte Wärme in Volumenarbeit W_Vol umgesetzt. Das heißt, das System verrichtet hier Arbeit und das Volumen V vergrößert sich. Die Arbeit bekommt also ein negatives Vorzeichen.
Im ersten Schritt hat sich also die Innere Energie durch die Wärmezufuhr zunächst erhöht. Also dU=Q.
Doch im zweiten Schritt hat sich das Volumen ausgedeht, das System verrichtete Arbeit und die innere Energie hat wieder abgenommen. Also dU=W (wobei W negativ ist!).
Letztendlich ist dann also dU=Q+W=0
@Maximilian Thomas: Danke fuer die schnelle Antwort. Ja genau, dU=0 in Minute 6:00.
T ist wieder beim alten Wert, aber V wurde verändert. Kann U nicht von V, p und T abhaengen?
@Msheurich: Meinst du das, was bei Minute 6:00 gesagt wird?
Hier ist der Gesamtprozess gemeint. Die Temperatur ist erst angestiegen und hat dann wieder um den selben Betrag abgenommen. Letztendlich ist sie also gleich geblieben und somit hat sich die innere Energie des Gesamtsystems auch nicht geändert. Daher dU=0.
Warum ist dU=0?