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Wärmekraftmaschine

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Physik Siggi

Wärmekraftmaschine

lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Wärmekraftmaschine

In diesem Video erfährst du näheres zur Wärmekraftmaschine. Zunächst werden wichtige Begriffe wie die innere Energie und die beiden Hauptsätze der Thermodynamik wiederholt. Danach lernst du den prinzipiellen Aufbau von Wärmekraftmaschinen kennen. Des Weiteren werden die unterschiedlichen Arten von Wärmekraftmaschinen vorgestellt. Grob gesagt gibt es Maschinen, denen mechanische Arbeit zugeführt wird (z.B. Kühlschrank) und Maschinen, die mechanische Arbeit erzeugen (z.B. Automotor). Wie das Ganze genau funktioniert erfährst du im Video. Viel Spaß!

Transkript Wärmekraftmaschine

Hallo, ich bin euer Physik-Siggi. Heute werde ich euch das Prinzip der Wärmekraftmaschine verständlich machen. Danach werdet ihr zwei Arten genauer kennenlernen. Und schließlich werde ich euch heute das Prinzip des Kühlschranks erklären. Ihr benötigt dafür ein Verständnis vom idealen Gas, von der Temperatur und von der Wärme. Allerdings auch von der thermischen Energie, die auch als innere Energie bezeichnet wird. Diese Grundbegriffe könnt ihr alle im Film "Die Hauptsätze der Thermodynamik" kennenlernen. Kurz wiederholt ist die thermische Energie oder innere Energie die Energie, die ein Körper aufgrund der Bewegung seiner Teilchen hat. Je wärmer der Körper, desto größer seine innere Energie. Diese Energie kann er in mechanische Energie umwandeln. Zum Beispiel, wenn man den Kochtopf nur lange genug erhitzt und einen Deckel drauflegt, so wird der Deckel irgendwann klappern. Ihr kennt dies aus der Küche. Das Klappern ist eine mechanische Energie. Das heiße Wasser im Topf hat so eine große thermische Energie bekommen, dass es sie nutzen konnte, um den Deckel zu bewegen. Genauer gesagt verdampft das Wasser und damit steigt der Druck im Topf, weil sich Dampf, je heißer er wird, immer mehr ausbreiten will und weil die Dampfteilchen immer schneller werden. Irgendwann stoßen die Dampfteilchen so schnell gegen die Wände, dass es reicht, den Deckel anzuheben. Dadurch werden die Teilchen abgebremst. Dafür muss dem System aber von der heißen Herdplatte immer neue Energie zugeführt werden. Diese Energie heißt Wärme. Die Änderung der inneren Energie des Wassers ist nach dem 1. Hauptsatz der Wärmelehre dann gleich der zugeführten Wärme von der Herdplatte - der verrichteten Arbeit. Allerdings kann der Kochtopf nicht die ganze Wärme der Herdplatte nutzen, um den Deckel zum Beispiel viele Meter nach oben zu stemmen. Ein Teil der Wärme, die er bekommen hat, leitet er an die Umgebung weiter. Die Änderung der inneren Energie ist demnach = der zugeführten Wärme - der Arbeit - der abgeführten Wärme. Lassen wir im Gedankenexperiment den Topf nun wieder abkühlen, dann hat er seine innere Energie nicht geändert. Delta U=0 und alle zugeführte Wärme wurde in Arbeit und abgeführte Wärme umgewandelt. Dies ist das Prinzip der Wärmekraftmaschine. Man führt der Maschine Energie zu, hier in Form von Wärmeenergie. Die Wärmekraftmaschine wandelt diese Energie in nutzbare Energie um. In unserem Beispiel das Heben des Kochtopfdeckels. Jedoch wird ein Teil der zugeführten Energie auch als nicht nutzbare Energie an die Umgebung abgegeben. Hier erwärmt sich die Küche. Es gibt natürlich bessere Möglichkeiten Wärme zu nutzen, als nur einen Deckel anzuheben. Wir verbrennen Benzin und die Wärmeenergie wird einerseits dazu genutzt, um die Räder zu drehen, andererseits wird sie an die Umgebung abgegeben. Der Motor wird heiß und erwärmt die Luft. Es gibt zwei Arten von Wärmekraftmaschinen. Die, die Arbeit verrichtet, das ist genau die, die wir bereits beschrieben haben. Wärme wird zugeführt und in nutzbare Arbeit und Abwärme ungewandelt, wie zum Beispiel beim Verbrennungsmotor im Auto. Die zweite Art geht so: Arbeit und etwas Wärme wird zugeführt und dann von der Maschine so umgewandelt, dass noch viel mehr Wärme entsteht, welche dann an die Umgebung abgegeben werden kann. Dies ist zum Beispiel bei der Wärmepumpe, also der Heizung im Haus der Fall oder beim Kühlschrank. Betrachten wir das Beispiel des Kühlschranks genauer. Hier wird ausgenutzt, dass eine Flüssigkeit Energie braucht, um zu verdampfen. Das heißt, um die Bindungen der Flüssigkeitsteilchen aufzubrechen, um zu freiem, ungebundenem Gas zu werden. Im Kühlschrank ist ein Verdampfer mit Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit des Kühlschranks verdampft schon weit unter dem Gefrierpunkt. Das heißt, die relativ kleine Wärme der Lebensmittel reicht aus, um das Kühlmittel zum Verdampfen zu bringen. Dadurch hat zum Beispiel dieser Apfel Wärme abgegeben und ist nun kälter geworden. Die Wärme wurde also dem Kühlmittel zugeführt und steckt nun im Dampf. Diese Wärme muss nun irgendwie aus dem Kühlschrank herauskommen, damit er sich endgültig abkühlt. Hier wird nun die mechanische Arbeit ins System gesteckt. Ein Kompressor befördert das Gas aus dem Kühlschrank heraus und drückt es dort zusammen. Aufgrund des Drucks wird die Bewegung der Gasteilchen größer und die Temperatur steigt. Im sogenannten Verflüssiger kondensiert schließlich der Dampf aufgrund des sehr hohen Drucks und gibt Kondensationswärme ab. Das ist genau die Energie, die frei wird, wenn das Gas wieder feste Bindungen eingeht und flüssig wird. Die Kondensationswärme wird über die Kühlrippen an die Umgebung abgegeben. Falls ihr schon mal einen Kühlschrank von hinten gesehen habt, da hängt so ein Drahtgitter an den Rohren. Die Wärme der Lebensmittel wird letztendlich über dieses Gitter an die Umgebung abgegeben. Die flüssige Kühlflüssigkeit wird nun wieder über eine Kapillare ins Innere geleitet, wo der Kreislauf von vorne beginnt. Hier ist der Druck wieder gering und das Gas kann wieder verdampfen mithilfe der Wärme der Lebensmittel. Das Schema ist das Gleiche, wie am Anfang beschrieben. Die zugeführte Arbeit ist der Kompressor, der den Dampf verflüssigt. Die zugeführte Wärme ist die Wärme der Lebensmittel und die abgegebene Wärme ist die Kondensationswärme. Da die Kondensationswärme sofort an die Umgebung geleitet wird, gelingt es der Flüssigkeit nicht wieder zu verdampfen. Erst hinter dem Kapillarrohr ist der Druck wieder so gering, dass die kleine Wärme der Lebensmittel reicht, um die Kühlflüssigkeit zum Verdampfen zu bringen. Den Lebensmitteln wird also Wärme entzogen. So bleibt der Kühlschrank schön kalt. Ich hoffe ihr wisst nun immer genau, was in dem Ding passiert, wenn ihr für das Frühstück die Kühlschranktür öffnet. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Dankeschööön!!

    Von Jessica G., vor fast 6 Jahren
  2. Sehr cool :-)

    Von Einfach Simon, vor etwa 8 Jahren
  3. Sehr übersichtlich und klar formuliert.

    Von Eva Maria Zubek, vor etwa 8 Jahren
  4. Vielen Dank, ein super - vielleicht bisher das beste - Video! Hat mir sehr geholfen :)

    Von Gumpi, vor mehr als 8 Jahren

Wärmekraftmaschine Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wärmekraftmaschine kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne eine Formel zur Berechnung der inneren Energie U.

    Tipps

    Bei einem Topf mit kochendem Wasser auf dem Herd fängt der Deckel irgendwann an zu klappern. Es wird Arbeit verrichtet. Was wird dem Topf zugeführt und warum fliegt der Deckel nicht sehr hoch?

    In der Nähe eines Topfes mit kochendem Wasser ist die Luft wärmer. Wo kommt die Wärme her?

    Lösung

    Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gilt: $\Delta U = Q_{zu} - W$.

    Betrachte nun das Beispiel von einem Topf mit Deckel auf dem Herd. Wenn in dem Topf Wasser ist, dann fängt der Deckel irgendwann an zu klappern.
    Welcher Vorgang ist hier abgelaufen?

    Die Herdplatte gibt Wärme an den Topf ab und erwärmt damit das Wasser. Das entspricht $Q_{zu}$.
    Es wird dann Arbeit verrichtet, um den Deckel anzuheben, das entspricht $W$.
    Der Deckel fliegt aber nicht sehr hoch. Was passiert mit der Restwärme?
    Man kann es selber spüren: In der Umgebung des Topfes ist es wärmer als an anderen Stellen im Raum (Achtung: Fasse keine heißen Töpfe mit deinen bloßen Händen an, das führt zu Verbrennungen).
    Somit gibt der Topf also auch noch Wärme an die Umgebung ab: $Q_{ab}$.

    Die Formel für die innere Energie ergänzt sich damit zu $\Delta U = Q_{zu} - W-Q_{ab}$.

  • Erkläre das Prinzip von Wärmekraftmaschinen.

    Tipps

    Es gibt zwei Arten von Wärmekraftmaschinen.

    Bei der einen Art wird Wärme hineingesteckt und Arbeit gewonnen. Dabei entsteht auch noch etwas überschüssige Wärme, die abgeführt werden muss.

    Bei der anderen werden Wärme und Arbeit hineingesteckt. Es kann dann deutlich mehr Wärme abgeführt werden.

    Lösung

    Es gibt zwei Arten von Wärmekraftmaschinen.
    Wenn man das Prinzip einer Wärmekraftmaschine in einem Pfeildiagramm darstellen möchte, muss man zwei Arten unterscheiden.
    Es gibt deswegen zwei Pfeildiagramme, die Wärmekraftmaschinen zeigen.
    Die Richtung der Pfeile zeigt an, in welche Richtung der Prozess abläuft.

    Die Pfeile, die auf die Maschine zeigen, entsprechen dann den Sachen, die zugeführt werden.
    Die Pfeil, die von der Maschine wegzeigen, entsprechen den Sachen, die abgeführt werden.

    Bei der einen wird Wärme und Arbeit zugeführt. In der Maschine wird diese Kombination in viel Wärme umgewandelt, die dann abgeführt wird.

    Bei der anderen wird nur Wärme zugeführt. Dies wird in nutzbare Arbeit umgewandelt. Es entsteht dabei immer auch ein kleiner Teil Abwärme. Diese Wärme wird ebenfalls abgeführt.

  • Erkläre die Funktionsweise von Wärmekraftmaschinen.

    Tipps

    W steht immer für die Arbeit, die zugeführt oder verrichtet wird.

    Die Richtung der Pfeile gibt an, in welche Richtung der Vorgang abläuft. Werden die Größen links neben der Maschine dann zugeführt oder abgeführt?

    Es wird Wärme nie komplett in Arbeit umgewandelt. Es bleibt immer noch ein Rest Wärme über, die dann abgeführt werden muss.

    Lösung

    $W$ steht immer für die Arbeit.
    $Q_{zu}$ steht für die zugeführte Wärme.
    $Q_{ab}$ steht für die abgeführte Wärme.

    Die Pfeilspitzen geben immer die Richtung an, in der der Prozess abläuft.
    Die Pfeilspitzen zeigen immer nach rechts.
    Deswegen stehen links von der Wärmekraftmaschine die Komponenten, die gebraucht werden.
    Rechts stehen die Komponenten, die erhalten werden.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Kühlschranks.

    Tipps

    Eine Flüssigkeit wird beim Verdampfen zu Gas. Ein Gas kondensiert und wird wieder zur Flüssigkeit. In welche Richtung läuft der Kreislauf?

    In einem Kreislauf werden alle Stationen nacheinander durchlaufen. Dabei ist die Richtung des Kreislaufs wichtig.

    Lösung

    Bei einem Kühlschrank handelt es sich um eine Wärmekraftmaschine.
    Und zwar um die, in der Wärme und Arbeit hineingebracht wird, um damit sehr viel Wärme abführen zu können.

    Es soll damit die Wärme aus den Lebensmitteln entzogen werden und aus dem Kühlschrank heraustransportiert werden.

    Es handelt sich um einen Kreislauf. Hierbei vollzieht die sogenannte Kühlflüssigkeit den Kreislauf.
    Zuerst nimmt sie die Wärme aus den Lebensmitteln auf und verdampft.
    Es kommt nun die mechanische Arbeit ins Spiel. Diese wird gebraucht um den Dampf aus dem Kühlschrank zu transportieren. Dort wird er auch verdichtet. Er kondensiert deswegen und wird wieder zur Flüssigkeit.
    Die Wärme wird der Flüssigkeit entzogen und als Abwärme aus dem Kühlschrank transportiert.

    Als letztes wird die Kühlflüssigkeit wieder auf einen geringeren Druck gebracht und zurück in den Kühlschrank transportiert.

  • Nenne Beispiele für Wärmekraftmaschinen.

    Tipps

    Bei Wärmekraftmaschinen wird immer Wärme zugeführt. Es gibt dann zwei unterschiedliche Arten von Wärmekraftmaschinen.

    Bei der einen wird Wärme zugeführt und Arbeit und Wärme abgeführt.

    Bei der anderen wird Wärme und Arbeit zugeführt und viel Wärme abgeführt.

    Lösung

    Es gibt zwei Arten von Wärmekraftmaschinen.
    Beide haben gemeinsam, dass bei ihnen Wärme zugeführt werden muss.
    Diese wird häufig aus der Umgebung entzogen.

    Bei der einen wird zusätzlich Arbeit verrichtet. Es kann dann sehr viel Wärme abgeführt werden.
    Bei einem Kühlschrank wird den Lebensmitteln Wärme entzogen. Diese wird dann genutzt, um das Kühlmittel zu verdampfen. Mithilfe technischer Arbeit wird das Kühlmittel aus dem Kühlschrank gepumpt. Dort wird dann viel Wärme an die Umgebung abgegeben.
    Die Wärme wird also an einer Stelle entzogen und an einer anderen wiederverwendet. //

    Die andere Art der Wärmekraftmaschine nutzt Wärme, um nutzbare Arbeit zu erzeugen. Es entsteht dabei aber auch immer ein Teil Abwärme, der an die Umgebung abgegeben werden muss.
    Bei einem Motor eines Autos wird der Kraftstoff verbrannt. Die Energie, die bei der Verbrennung entsteht, wird genutzt, um das Auto anzutreiben.

    Wird nur elektrische Energie genutzt, um Wärme zu erzeugen, oder etwas verbrannt, um die Wärme nutzbar zu machen, dann handelt es sich um keine Wärmekraftmaschine.

  • Erkläre den Energiebedarf eines Kühlschranks.

    Tipps

    Ist im Sommer zuerst die Luft warm oder der See? Das was schneller warm wird, wird auch schneller kalt.

    Die meisten Lebensmittel bestehen zu einem Großteil aus Wasser. Sie verhalten sich beim Abkühlen und Aufwärmen in Bezug auf die Luft deswegen wie Wasser.

    Wenn die Kühlschranktür einmal geöffnet wird, wird ein Großteil der Luft im Kühlschrank ausgetauscht.

    Lösung

    Der ausschlaggebende Punkt ist, dass Luft schneller abkühlt als Wasser.
    Die meisten Lebensmittel bestehen zu einem Großteil aus Wasser. Sie verhalten sich, was das Abkühlen und Aufwärmen angeht, wie Wasser.

    Da die Luft im leeren Kühlschrank schnell abkühlt, wird wenig Energie gebraucht. Die Lebensmittel brauchen länger zum Abkühlen. Deswegen wird auch mehr Energie gebraucht.

    Wird jedoch die Kühlschranktür geöffnet, dann tauscht sich die Luft zu einem großen Anteil aus. Je länger die Tür offen ist, desto mehr Luft wird ausgetauscht.
    Der Kühlprozess muss dann neu beginnen.

    Lebensmittel bleiben dagegen auch bei offener Tür noch länger kalt. Sie erwärmen sich nur langsam.
    Die warme Luft, die hereingeströmt ist, wird auch durch die Lebensmittel heruntergekühlt.

    Langfristig braucht ein leerer Kühlschrank, der häufig geöffnet wird, deswegen etwas mehr Energie.
    Im Allgemeinen sollte immer darauf geachtet werden, einen Kühlschrank nicht unnötig oft oder lange zu öffnen.

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