Was ist der Carnot Kreisprozess?
Ich kapiere kein einziges Video und nicht mal Chat GTP kann mir helfen. Hat jemand ein Beispiel?
4 Antworten
Naja der Carnot-Kreisprozess ist in der Thermodynamik der Kreisprozess einer theoretischen (!) idealen Wärme-Kraft-Maschine. Ein Beispiel für so einen Prozess gibt es nicht weil es sich um ein Gedankenexperiment handelt, eben in idealisierter Prozess mit idealem (also höchstmöglichen) Wirkungsgrad.
In der Praxis gibt es keinen Carnot-Kreisprozess, der Wirkungsgrad von echten Wärme-Kraft-Maschinen (welche als Beispiel dienen könnten) liegt daher immer niedriger.
Was ist der Carnot Kreisprozess?
Dann gehen wir mal etwas in die Geschichte zurück.
Der erste, der sich mit den Zusammenhängen zwischen Wärme und mechanischer Arbeit sowie deren Umwandelbarkeit theoretisch beschäftigte, war Sadi Carnot, der 1824 die Schrift "Réflexions sur la puissance motrice de feu et sur les machinespropres à développer cette puissance" ("Reflexionen über die Antriebskraft des Feuers und die Maschinen, um diese Kraft zu entfalten") veröffentlichte. Damit begründete Carnot die Thermodynamik. In seiner Abhandlung stellte er fest, dass Wärme nicht gleich Wärme ist und die Möglichkeit, Wärme in mechanische Arbeit umzusetzen, von der Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium (z.B. Dampf) und Umgebungstemperatur abhängt. Deshalb wurde später auch der Carnotwirkungsgrad nach ihm benannt.
Carnots Schrift blieb außerhalb Frankreichs jahrzehntelang weitgehend unbeachtet, mit einer Ausnahme, die das Rennen von Rainhill 1829 entschied, als es darum ging, wer die erste überregionale Eisenbahn der Welt zwischen Liverpool und Manchester bauen sollte.
In England gabs schon einige Zeit lang Dampfmaschinen und auch die ersten Dampflokomotiven, z.B. von Richard Trevithick, von Timothy Hackworth ab 1808, John Blenkinsop 1812, William Hedley 1813 und auch George Stephenson 1814 sowie anderen. 1829 wurde ein Wettbewerb ausgeschrieben, wer die schnellste Lokomotive bauen kann, um dann damit die entstehende Eisenbahn in England aufzubauen. Der Sohn von George Stephenson, Robert Stephenson, war weit gereist und er war derjenige, der als einziger von allen Konstrukteuren die Schrift von Carnot gelesen hatte. Da er dadurch wusste, dass zwischen mechanischer Arbeit und Wärme ein enger theoretischer Zusammenhang besteht, der den Wirkungsgrad beeinflusst, baute er nicht wie die anderen Konstrukteure einen größeren Dampfkessel und Arbeitszylinder, sondern er erhöhte den Druck und damit die Arbeitstemperatur. Damit er den hohen Druck erreichen konnte, ohne dass der Dampfkessel explodiert, erfand der den sogenannten Röhrenkessel, denn kleine Röhren halten einen deutlich höheren Druck aus als ein großer Dampfkessel ohne Röhren, der wie ein Kochtopf funktioniert. Mit seiner Rocket gewann er deutlich den Wettbewerb und wurde in der Folge der bedeutendste Lokomotiv- und Eisenbahnbauer ganz Europas. Auch die erste Eisenbahnstrecke Deutschlands wurde 1835 von ihm gebaut incl. der Lokomotive "Adler", die eine Kopie der Rocket war.
Erst Jahrzehnte später kamen auch andere Konstrukteure dahinter, welche Bedeutung die Schrift von Carnot hat. Stephenson hatte das natürlich nicht an die große Glocke gehängt, welchen Wissensvorsprung er hatte.
Nun zurück zu deiner Frage: der erste Kreisprozess, um den es ging, war die Kolbendampfmaschine. Darauf bezog sich Carnot. Dass seine Erkenntnisse aber Allgemeingültigkeit haben und auch für andere Arbeitsmaschinen gelten, wie z.B. Dampfturbinen, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren, Stirlingmotoren und umgekehrt sogar für Kühlschränke und Wärmepumpen, dahinter ist man erst viel später gekommen.
Carnot beschäftigte sich mit der Frage, wie müsste eine ideale Dampfmaschine ausehen, damit man aus der zugeführten Wärme das Maximum an Arbeit gewinnen kann. Seine wichtigste Erkenntnis: es darf dabei keinerlei Verluste geben. Wenn es keine Verluste gibt, sind alle Vorgänge in der Maschine umkehrbar, also reversibel. Sie müssten dann in beide Richtungen funktionieren, ohne dass sich an den Werten wie T, Q oder W irgendetwas ändert.
Zustand 1: Wir haben einen hohen Druck und ein kleines Volumen. Der Kolben ist also ganz im Zylinder drin und der Zylinder ist mit heißem Dampf gefüllt. Nun schiebt der heiße Dampf den Kolben nach Außen. Es wird Arbeit verrichtet. Die Temperatur und die innere Energie würden dadurch sinken (was sie in der Praxis auch tut, aber nicht im Carnoprozess). Damit die innere Energie bei der Expansion gleichbleibt, wird im selben Maße, wie Arbeit verrichtet wird, über die Zylinderwände Wärme zugeführt. Technisch funktioniert das nicht, da braucht man einen extra Dampfkessel, um den Dampf zu erhitzen. Wenn nun der Kolben ganz ausgefahren ist (Zustand 3), hat der Druck abgenommen, das Volumen zugenommen und die Temperatur ist immer noch gleich hoch. Diese beiden Vorgänge, Wärmezufuhr und Verrichtung von Arbeit würden praktisch gleichzeitig ablaufen. Carnot hat sie aber (theoretisch) aufgetrennt in zwei Vorgänge: bei der Zustandsänderun 12 wird die ganze Wärme zugeführt und ein Teil der Arbeit verrichtet, und bei 23 wird nur Arbeit verrichtet ohne weitere Wärmezufuhr, wobei sich der Dampf stark abkühlt. Bei einer realen Maschine würde die Linie von 1 nach 3 in einer Kurve ohne Knick verlaufen.
Von 3 nach 4 wird nun der kalte Dampf wieder komprimiert. Dabei bleibt die Temperatur konstant, weshalb durch die Zylinderwände Wärme abgeführt werden muss. Bei 4 ist der Kolben ganz eingefahren und nun wird ohne Arbeit zu verrichten so viel Wärme zugeführt, bis Zustand 1 wieder erreicht wird.
Du merkst schon an der Beschreibung, dass dieser Kreisprozess so technisch bzw. praktisch nicht zu verwirklichen ist. Daher ist der Carnotprozess auch nur ein Vergleichsprozess. Er gibt den Ingenieuren eine Richtschnur, in welche Richtung sie ihre Maschinen optimieren müssen, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Jede weitere Annäherung an den Carnotprozess bedeutet eine Verbesserung der Maschine.
siehe hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Carnot-Prozess
Isotherme Expansion:
Die vorher durch die Kompression verdichtete, also bereits durch den vorhergehenden Schritt unter Druck stehende Luft wird erwärmt und dehnt sich dabei aus und schiebt den Kolben nach oben und leistet dabei mechanische Arbeit...
Also Druck nimmt ab, Temperatur bleibt wegen Wärmezufuhr gleich...
Isentrope Expansion:
Wärmequelle wird entfernt Luft dehnt sich aus, leistet aber weiterhin mechanische Arbeit, indem sie den Kolben weiter nach oben schiebt, aber sie kühlt sich dabei adiabatisch ab (würde sich auch bei der isothermen Expansion adiabatisch abkühlen, wenn man keine Wärme zuführen würde).
Also Druck und Temperatur nehmen ab, da keine Wärme mehr zugeführt wird...
Isotherme Kompression:
Luft wird durch den Kolben verdichtet und dabei wird nun mechanische Arbeit zugeführt. Dabei wird die Luft adiabatisch erwärmt, aber da gekühlt, also Wärme abgeführt wird, bleibt die Temperatur gleich...
Also Druck nimmt zu und Temperatur bleibt gleich, da wird die Kompressionswärme durch die Kühlung abführen...
Isentrope Kompression
Kühlung wird entfernt und dabei heizt sich die Luft adiabatisch auf, da die Wärme nicht abgeführt wird...
Druck und Temperatur nehmen beiden zu da wird nun nicht mehr kühlen und damit keine Kompressionswärme abführen.
die schraffierte Fläche ist die mechanische Arbeit (das läßt sich über das Integral bestimmen)...
Wenn man eine Fahrradluftpumpe vorn wo die auf das Ventil aufgesteckt wird, zuhält und dann auf den Kolben mit der Manschette drückt wird die Luft verdichtet und erwärmt sich dabei adiabatisch und wenn man jetzt den Kolben mit der Manschette los läßt geht der ein Stück wieder zurück und die darin, also in der Luftpumpe enthaltene Luft kühlt sich adiabatisch ab. Die restliche Strecke dann eben durch die Erwärmung der Luft..
Oder so, die komprimierte Luft wird erwärmt, dehnt sich weiter aus und schiebt den Kolben noch oben oder zur Seite je nach dem, dabei kühlt diese sich adiabatisch ab, aber diese Wärmeverluste werden aber durch Wärmezufuhr ausgeglichen (isotherm). Wird die Wärmezufuhr abgestellt, so dehnt sie sich durch den vorhandenen Druck weiter aus und kühlt sich dabei adiabatisch ab (isentrop). bei der Komprimierung wird die Luft durch den Kolben komprimiert, also sie heizt sich adiabatisch auf aber durch die Kühlung steigt die Temperatur zunächst nicht, da die Wärme abgeführt wird (isotherm), sondern Druck und Temperatur steigen erst wieder wenn die Kühlung abgestellt ist (isentrop)...
Ich kapiere kein einziges Video und nicht mal Chat GTP kann mir helfen. Hat jemand ein Beispiel?
ganz allgemeiner tipp: keine videos schauen, nicht ChatGPT fragen. bücher lesen!
Manche Videos sind schon sehr gut. Siehe 3b1b beispielsweise. Oder für Physik eben andere Kanäle.