Umwandlung von Wärme in mechanische Energie - Informationen

Umwandlung von Wärme in eine andere Energieart

• Beschäftigen Sie sich mit der Wärmelehre, werden Sie erfahren, dass es möglich ist, eine Energieform vollständig in Wärme umzuwandeln. Dagegen kann eine Umwandlung von Wärme in mechanische Energie nicht gänzlich durchgeführt werden. Der Grund dafür liegt im Wesen der Wärme, die nach der kinetischen Theorie durch die Energie der untergeordneten Molekularbewegung dargestellt wird.
• Bei der Theorie gehen Sie davon aus, dass den Molekülen eines Körpers Energie übertragen wird, wenn ihm Wärme zugeführt wird. Die Erwärmung bewirkt, dass aus einer regellosen eine schnellere Bewegung der kleinsten Teilchen erfolgt.
• Infolge dieser Bewegung besitzen die Moleküle eine Energie, deren Gesamtbetrag von Ihnen als innere Energie des betreffenden Stoffes bezeichnet wird. Nach dem englischen Entdecker Brown wird diese Bewegung auch Brownsche Molekularbewegung genannt.
• Eine Wärmemenge, die beispielsweise bei der Verbrennung von Kohle oder Öl frei wird, ist zunächst in einer hohen kinetischen und potenziellen Energie der Moleküle der Verbrennungsgase enthalten. Wichtig für Sie ist, dass Geschwindigkeiten und Richtungen der Molekularbewegung regellos verteilt sind.
• Beachten Sie, dass durch die Unordnung der Moleküle die Energie dieser Einzelbewegungen nicht vollständig auf irgendeinen benachbarten festen Körper übertragen werden kann. Daraus folgt, dass der Körper sich als Ganzes bewegt und Arbeit verrichten kann.
• Um einen möglichst großen Teil einer Wärmemenge in mechanische Arbeit umzuwandeln, überträgt man sie auf ein Gas, das in einen Zylinder mit beweglichen Kolben eingeschlossen ist. Dabei sollten Sie berücksichtigen, dass beim Aufprall die Moleküle nur einen Teil ihrer Energie an den Kolben abgeben wird. Dabei verringert sich ihre Geschwindigkeit, was Sie als Temperaturabnahme erkennen können. Zur Wiederholung des Vorganges müssen die Zylinder wieder in die Ausgangsstellung und das Gas auf die Anfangstemperatur gebracht werden.

Wirkungsgrad bei der Veränderung von Hitze in mechanische Energie

• Bereits im 19. Jahrhundert beschäftigte sich der französische Ingenieur Carnot mit der Umwandlung der Wärme in mechanische Energie und erkannte, dass ein Teil der bei der Anfangstemperatur aufgenommenen Wärmemenge wieder als Wärme bei der niedrigen Endtemperatur abgegeben werden muss. Sie lässt sich nicht in mechanische Arbeit umwandeln. Sie sollten dabei wissen, dass der Wirkungsgrad umso größer ist, je höher der Unterschied zwischen Anfangs- und Endtemperatur ist.
• Die von James Watt konstruierte erste Kolbendampfmaschine erzielte nur einen Wirkungsgrad von ungefähr zwei Prozent. Interessant für Sie ist es, dass trotz zahlreicher Verbesserungen der Wirkungsgrad dieser Maschinen nicht über 18 Prozent gesteigert werden konnte, sodass heute keine Anlagen mit Kolbendampfmaschinen mehr gebaut werden.
• Die wichtigste mit Wasserdampf betriebene Wärmekraftmaschine ist heute die Dampfturbine. Der Dampf strömt durch die Zuleitung und durch einen Ring mit verstellbaren Regulierungsschrauben zu den mit Schaufeln besetzten Turbinenrädern. Diese werden durch den hochgespannten Dampfstrom in Drehung versetzt.
• Sie sollten wissen, dass hinter dem ersten Turbinenrad abwechselnd weitere Leitschaufelkränze und Turbinenräder angeordnet werden, um den Druck des Dampfes voll auszunutzen. Die Schaufeln werden dabei immer größer, weil der Wasserdampf sich mit abnehmendem Druck ausdehnt.
• Um die Wärmeverluste im Kessel, die bei der Übertragung der Wärme von den Verbrennungsgasen auf den Wasserdampf entstehen, zu vermeiden, baute 1867 Nikolaus August Otto einen Benzinmotor, bei dem ein Benzin-Luft-Gemisch im Zylinder selbst verbrannt wird. Wie Sie sich denken können, ließ sich der Wirkungsgrad dadurch auf mehr als 35 Prozent steigern. 
• Beim Dieselmotor wird zuerst Luft angesaugt und sehr stark verdichtet. Die Temperatur steigt dadurch über die Entzündungstemperatur des Brennstoffes, sodass dieser nach Einspritzung sofort verbrennt, ohne dass eine Zündung notwendig ist.
• Da die Temperaturen dabei auf bis zu 2000 Grad Celsius und die Drücke auf 80 bar ansteigen können, ist eine stärkere Konstruktion des Dieselmotors notwendig. Trotz der höheren Herstellungskosten finden Sie diesen Motor immer dort, wo ein hoher Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent erforderlich ist, wie beispielsweise bei Lokomotiven, Lastkraftwagen und Schiffen.