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Herzlich Willkommen zum Onlinekurs: "Kreise mit vier Ecken, die die Welt bewegen: Die Kreisprozesse der Thermodynamik"
Für die moderne Gesellschaft ist Energie zentral. Will man elektrische oder mechanische Energie gewinnen, dann wird dazu in der Regel auf die eine oder andere Weise Wärme in Arbeit umgewandelt. Die Umwandlung von Wärme in (mechanische) Arbeit ist an sich nichts Neues – und zugleich die Basis für unsere moderne Lebensweise. Seit über 200 Jahren praktiziert der Mensch das. Angefangen hat alles mit der Dampfmaschine. In der Folge kamen verschiedene weitere Technologien dazu. Um zu verstehen, was dabei geschieht, braucht es das Konzept der thermodynamischen Kreisprozesse. Gedanklich lassen sich die Energieumwandlungen als eine Reihe von Zustandsänderungen eines Stoffes beschreiben. Zustandsänderungen können zum Beispiel Erhöhungen oder Senkungen von Druck oder Temperatur sein. Wichtig ist: Der Stoff kehrt immer wieder zum Ausgangszustand zurück. Darum spricht man von Kreisprozessen. In dieser Videoreihe werden einige wichtige Beispiele für Kreisprozesse vorgestellt. Diese Kreisprozesse zu verstehen ist essentiell, um die Effizienz der realen Prozesse, zu verstehen und zu verbessern. Nur so kann die Energiewende überhaupt möglich gemacht werden.
INHALTE
- Modul 1: Der Joule-Prozess
- Modul 2: Der Clausius-Rankine-Prozess
- Modul 3: Der Otto-Prozess
- Modul 4: Der Diesel-Prozess
- Modul 5: Der Seilinger
- Modul 6: Der Stirling-Prozess
ZIELGRUPPE
- Studierende technischer Fächer
- Studierende aus den Ingenieurwissenschaften
- alle, die sich mit Thematiken der Thermodynamik auseinander setzten möchten
LEHRENDE
Die Inhaltliche Leitung erfolgte durch Prof. Dr. Karsten Müller und Prof. Dr. Egon Hassel,
die Produktion durch Alex Frederick Liebau, Jonas Nehlsen, Theo Woldt, Johannes Wallstabe und Finn Börje Wesemeyer.
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Universität Rostock
Weitere Videos des Lehrstuhls finden Sie im Youtube-Kanal: LTT Rostock - Thermodynamik endlich verständlich
Die Inhaltliche Leitung erfolgte durch Prof. Dr. Karsten Müller und Prof. Dr. Egon Hassel,
die Produktion durch Alex Frederick Liebau, Jonas Nehlsen, Theo Woldt, Johannes Wallstabe und Finn Börje Wesemeyer.
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Universität Rostock
Weitere Videos des Lehrstuhls finden Sie im Youtube-Kanal: LTT Rostock - Thermodynamik endlich verständlich
KURSINFO
- Termin: flexibel, Start ist jederzeit möglich
- Kosten: kostenfrei
- Sprache: deutsch
- Kursart: Onlinekurs
- Kursumfang: 6 Videos, mit Begleittexten und Kontrollfragen
EINLEITUNG:
Literaturhinweis:
Wer sich – ohne allzu viel Mathematik – näher mit dem Thema beschäftigen will, dem sei folgendes Buch empfohlen: Karsten Müller: „Thermodynamik ohne Formeln“, Verlag: Springer Berlin, 2022, ISBN: 978-3662657805
Wer sich – ohne allzu viel Mathematik – näher mit dem Thema beschäftigen will, dem sei folgendes Buch empfohlen: Karsten Müller: „Thermodynamik ohne Formeln“, Verlag: Springer Berlin, 2022, ISBN: 978-3662657805
Exkurs: Linksläufige Kreisprozesse
Bei den in dieser Reihe vorgestellten Prozessen handelt es sich um rechtsläufige Kreisprozesse. Wie der Name vermuten lässt gibt es daneben noch linksläufige Kreisprozesse. Dabei wird nicht Wärme in Arbeit umgewandelt, sondern umgekehrt Arbeit in Wärme (oder je nach Blickwinkel in „negative Wärme“ – also Kälte). Grundsätzlich lässt sich Arbeit einfach in Wärme umwandeln. Reibung bewirkt genau diese Umwandlung. Linksläufige Kreisprozesse sind dagegen etwas komplexer. Dabei wird Wärme bei einer tiefen Temperatur aufgenommen und mit Hilfe der zugeführten Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, bei der sie wieder abgegeben wird. Ist die Hochtemperaturwärme der angestrebte Nutzen, so spricht man von einer Wärmepumpe. Ist die Wärmeaufnahme bei tiefer Temperatur das Ziel, so spricht man von einer Kältemaschine. Jeder Kühlschrank und jede Klimaanlage basiert darauf.Viele der hier behandelten Kreisprozesse ließen sich grundsätzlich auch „andersherum“ (also linksläufig) betreiben. Die meisten Kühlschränke basieren beispielsweise auf einem Kaltdampfprozess. Das ist letztlich nichts Anderes als ein linksläufig betriebener Clausius-Rankine-Prozess. Dieser bildet sonst, wenn man ihn rechtsläufig betreibt, die Grundlage für einen Dampfturbinenprozess. Wird er linksläufig betrieben, so wird nicht nur die Strömungsrichtung des flüssigen/dampfförmigen Arbeitsstoffes umgekehrt. Es ändern sich auch einige Bauteile. Beispielsweise erfolgt die Drucksenkung nun nicht mehr in einer Turbine, sondern in einer Drossel. Das alles führt jetzt hier aber etwas zu weit.
Der Joule-Prozess
Der Joule-Prozess
Das Maximum an mechanischer (und damit letztlich auch elektrischer) Arbeit, das aus einer Wärme gewonnen werden kann, wird durch den sogenannten Carnot-Wirkungsgrad bestimmt. Dieser lässt sich aus dem sogenannten Carnot-Preisprozess ableiten. Der Carnot-Prozess selber ist zunächst nur ein Gedankenexperiment. Aus diesem lassen sich aber wichtige Erkenntnisse ableiten. Die wichtigste Einsicht daraus ist, dass der maximale Wirkungsgrad (eben der Carnot-Wirkungsgrad) zum einen von der Temperatur der Antriebswärme abhängt. Je höher diese ist, desto effizienter ist der Prozess. Zum anderen hängt sie von der Temperatur der Wärmesenke ab. Also diejenige Temperatur bei der der nicht in Arbeit umgewandelte Teil der Wärme an die Umgebung abgegeben wird (bei Kraftwerken beispielsweise über den Kühlturm). Diese Temperatur sollte wiederum möglichst niedrig sein.
Exkurs: Der Maximale Wirkungsgrad in einer Formel
Die maximale Umwandelbarkeit von Energieformen ineinander wird durch die Hauptsätze der Thermodynamik beschrieben. Der I. Hauptsatz sagt zunächst nur, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Dementsprechend könnte aus 1 Kilojoule von Wärme auch maximal nur 1 Kilojoule an mechanischer Arbeit gewonnen werden. Mehr wäre nicht möglich, weniger aber schon. Der nicht in Arbeit umgewandelte Teil muss dann – um keine Energie zu vernichten – in Form einer anderen Energieform vom Prozess abgegeben werden. Dies kann beispielsweise Wärme bei einer anderen Temperatur sein.
Während der I. Hauptsatz aber grundsätzlich kein Problem damit hätte, wenn Wärme vollständig in Arbeit umgewandelt würde, ist der II. Hauptsatz der Thermodynamik nun der große Spielverderber der Energietechnik. Dieser besagt, dass Entropie nicht vernichtet werden kann. Was Entropie ist, führt hier wieder zu weit (das in der letzten Lektion empfohlene Buch gibt eine kurze Einführung). Wichtig ist erstmal nur, dass sich daraus der oben beschriebene Zusammenhang zwischen maximalem Wirkungsgrad und den Temperaturen von Wärmezu- und Abfuhr ergibt. In einer Gleichung ausgedrückt lautet dieser Zusammenhang:
Wichtig ist bei dieser Gleichung, dass die Temperaturen in Kelvin und nicht in Grad Celsius eingesetzt werden. So lässt sich der Carnot-Wirkungsgrad berechnen und damit die maximale Menge an Arbeit, die theoretisch aus einer Wärme gewonnen werden kann.
Der Clausius-Rankine-Prozess
Der Clausius-Rankine-Prozess
Neben Gasturbinen spielen in der Energietechnik Dampfturbinen eine große Rolle. Dampfturbinen sind nicht nur die Grundlage von Kohle- und Kernkraftwerken, sondern finden auch in vielen Fällen erneuerbarer Energien Anwendung. Beispielsweise lässt sich Strom gewinnen, indem man damit Wärme aus Geo- oder Solarthermie oder aus Abwärmenutzung umsetzt. Der Aufbau des Prozesses sieht zunächst einmal ähnlich zum Gasturbinenprozess aus. Allerdings wird jetzt nicht mehr ein Arbeitsstoff verwendet, der die ganze Zeit ein Gas bleibt. Stattdessen kommt ein Stoff zum Einsatz, der im Kreislauf bei verschiedenen Bedingungen immer wieder verdampft und kondensiert wird. Sehr oft ist dieser Stoff Wasser. Gerade bei Wärmequellen mit niedrigerer Temperatur kommen aber auch andere Arbeitsstoffe zum Einsatz, wie man sie beispielsweise aus Kältemaschinen kennt. Der thermodynamische Vergleichsprozess hierfür ist der Clausius-Rankine-Prozess. Grundsätzlich lassen sich damit nicht nur Dampfturbinen beschreiben, sondern auch entsprechende Kolbenmaschinen. Man denke hier an die Dampfmaschine, die früher Dampflokomotiven antrieb (und es vereinzelt heute noch tut). Weil heutzutage die Turbinen aber deutlich wichtiger sind, wird das folgende Video den Prozess anhand einer Dampfturbine erklären.
Nun das Testat 1# - Kontrollfragen zur Turbinen absolviert werden.
!Alle Testate sind unterhalb der gesamten Videos zu finden!
Otto-Prozess
Otto-Prozess
Die bisher vorgestellten Kreisprozesse basierten in ihrer Umsetzung im Wesentlichen auf Turbinen. Gerade wenn die Wärme durch Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes bereitgestellt wird, können aber auch Verbrennungsmotoren relevant werden. Diese sind deshalb interessant, weil sich höhere Prozesstemperaturen realisieren lassen. Wir erinnern uns: Nach Carnot bedeutet das, dass der theoretische Wirkungsgrad ansteigt. Solche Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung lassen sich in vielen Fällen mit dem Prinzip des Viertaktmotors beschreiben:
Takt 1: Ansaugen – Luft (eventuell schon gemischt mit Kraftstoff) wird durch das Herunterbewegen des Kolbens in den Zylinder gesaugt.
Takt 2: Verdichten und Zünden – Nachdem die Ventile geschlossen wurden, bewegt sich der Kolben wieder nach oben und verdichtet das Gas. Wenn er ganz oben ist, wird gezündet.
Takt 3: Arbeitstakt – Durch die Wärmefreisetzung bei der Verbrennung dehnt sich das Gasgemisch aus und drückt den Kolben nach unten. Dabei wird die eigentliche mechanische Arbeit am Kolben verrichtet.
Takt 4: Ausstoßen – Das Auslassventil wird geöffnet und der Kolben bewegt sich nach oben. Dadurch wird das Abgas ausgestoßen.
Ein möglicher Vergleichsprozess hierfür ist der Ottoprozess. Auch dieser läuft in den genannten vier Schritten ab. Der Ansaugtakt taucht darin aber nicht auf. Dafür sind Verdichten und Zünden (Wärmezufuhr durch Verbrennung) zwei separate Schritte. Der Prozess wird wieder im Video genauer vorgestellt.
Diesel-Prozess
Diesel-Prozess
Der Dieselprozess ist dem Ottoprozess grundsätzlich erstmal sehr ähnlich. Der Unterschied ist nur die Art der Wärmezufuhr. Beim Ottoprozess geht man davon aus, dass die Verbrennung so schnell abläuft, dass sie abgeschlossen ist, bevor der Kolben anfängt sich wieder nach unten zu bewegen. Darum spricht man auch von einem Gleichraumprozess. Der Rauminhalt (das Volumen) ändert sich während der Verbrennung nicht. Man nennt das eine isochore Wärmezufuhr.
Der Dieselprozess ist dem Ottoprozess grundsätzlich erstmal sehr ähnlich. Der Unterschied ist nur die Art der Wärmezufuhr. Beim Ottoprozess geht man davon aus, dass die Verbrennung so schnell abläuft, dass sie abgeschlossen ist, bevor der Kolben anfängt sich wieder nach unten zu bewegen. Darum spricht man auch von einem Gleichraumprozess. Der Rauminhalt (das Volumen) ändert sich während der Verbrennung nicht. Man nennt das eine isochore Wärmezufuhr.
Bei einem Dieselmotor erfolgt die Zündung nicht durch einen Zündfunken. Stattdessen wird der Kraftstoff erst nach dem Verdichten in die komprimierte, heiße Luft eingespritzt. Dort zündet er von selbst. Vereinfacht gesagt kann man sich das dann so vorstellen, dass dadurch die Verbrennung etwas langsamer verläuft. Sie erfolgt während der ersten Phase der Abwärtsbewegung des Kolbens. Damit steigt das für das Prozessgas zur Verfügung stehende Volumen während der Verbrennung. In erster Näherung geht man davon aus, dass der Druck dabei konstant bleibt. Man spricht von einem Gleichdruckprozess oder isobarer Verbrennung. Mehr zum entsprechenden Kreisprozess gibt es im folgenden Video.
Seilinger-Prozess
Seiliger-Prozess
In der Realität beschreibt weder der Otto- noch der Dieselprozess den jeweiligen Motor zwar oft in ausreichendem Maße, aber eben nicht perfekt. Die Wahrheit liegt oft ein bisschen dazwischen. Dem versucht der Seiliger-Prozess Rechnung zu tragen. Dabei wird die Wärmezufuhr infolge der Verbrennung in zwei separaten Schritten dargestellt: einen Teil bei konstantem Volumen (wie beim Otto-Prozess) und einen bei konstantem Druck (wie beim Diesel-Prozess). Natürlich ist das auch nur eine Annäherung an die Realität. Trotzdem stellt dieser Kreisprozess oft eine deutlich bessere Beschreibung der Energiewandlung in Verbrennungsmotoren dar. Eine kurze Einführung hierein gibt es im folgenden Video.
Nun kann das Testat #2 - Kontrollfragen zu Motorprozessen absolviert werden
!Alle Testate sind unterhalb der gesamten Videos zu finden!
Stirling-Prozess
Stirling-Prozess
Einen Spezialfall unter den Energiewandlungsmaschinen stellt der Stirling-Motor dar. Dieser erlaubt eine näherungsweise Umsetzung des Stirling-Prozesses. Dieser Kreisprozess ist unter anderem deshalb so interessant, weil sein theoretischer Wirkungsgrad gleich dem Carnot-Wirkungsgrad ist. Das heißt, dass Stirling-Prozesse theoretisch den thermodynamisch maximal möglichen Wirkungsgrad erreichen könnten (auch wenn das in der Praxis meistens nur eingeschränkt klappt). Erfunden wurde der Stirling-Motor aber gar nicht wegen seines hohen Wirkungsgrads, sondern wegen eines Sicherheitsvorteils. Sein Erfinder war Robert Stirling. Der war kein Ingenieur, sondern Pastor. Genau dieser Beruf brachte ihn aber dazu den nach ihm benannten Motor zu erfinden. Anfang des 19. Jahrhunderts starben viele Arbeiter durch Explosionen von Hochdruckdampfkesseln wie sie bei normalen Dampfmaschinen nötig waren. Um diese Menschen zu schützen erfand Pastor Stirling einen Motor, der ohne hohen Druck auskam. Wie dieser Motor funktioniert und durch welchen Kreisprozess er angenähert wird, erfährt man im letzten Video dieser Reihe.
Abschließend kann nun das Testat #3 zur Selbstkontolle absolviert werden.
!Alle Testate sind Unterhalb der gesamten Videos zu finden!