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Carnotscher Kreisprozess


Das Unterprogramm [Thermodynamik] - [Carnotscher Kreisprozess] ist dienlich, um sich die Zustände welche beim Durchlauf eines Carnotschen Kreisprozesses vorherrschen, verdeutlichen zu können.

PhysProf - Carnot - Kreisprozess

Der Carnotsche Kreisprozess ist ein wichtiger Grundprozess der Thermodynamik. Er wird als idealer theoretischer Vergleichsprozess verwendet, um viele reale Prozesse zu untersuchen. Es ist ein Wärmekraftprozess. Bei allen Wärmekraftmaschinen ist eine möglichst vollständige Verwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erwünscht. Carnot fand heraus, dass es am günstigsten ist, wenn das Gas einen bestimmten Kreisprozess durchläuft.

Es gibt hierbei vier aufeinander folgende Zustandsänderungen:

  1. Isotherme Expansion
  2. Adiabatische Expansion
  3. Isotherme Kompression
  4. Adiabatische Kompression

Beschreibung der o.a. Zustandsänderungen:

  1. Ein Gas wird mit einem Wärmereservoir in Kontakt gebracht, beide haben dieselbe Temperatur T1. Das Gas expandiert und entzieht dem Wasserreservoir Wärme, in dem dieses das Gas auf konstanter Temperatur hält. Bei der Expansion leistet das Gas Arbeit.
     

  2. Das Gas wird vom Wärmereservoir getrennt und expandiert weiter. Die Energie für die dabei geleistete Arbeit stammt aus dem Gas, welches sich daher abkühlt und danach die niedrigere Temperatur T2 besitzt.
     

  3. Das Gas wird mit einem zweiten (kälteren) Wärmereservoir der Temperatur T2 in Kontakt gebracht und isotherm komprimiert. Dazu wird mechanische Arbeit benötigt und in Wärme umgesetzt, welche an das Reservoir abgegeben wird.
     

  4. Das Gas wird vom zweiten Wärmereservoir getrennt und adiabatisch weiter komprimiert. Die hierbei am Gas verrichtete Arbeit erwärmt dieses wieder auf die Temperatur T1. Nach dem vierten Schritt muss sich das Gas wieder im Ausgangszustand befinden, da nur dadurch ein Kreisprozess möglich ist, welcher periodisch fortgesetzt werden kann.

Die bei den ersten beiden Schritten gewonnene Arbeit ist größer als die bei den letzten beiden Schritten eingebrachte Arbeit, so dass sich insgesamt ein Arbeitsgewinn ergibt. Die Tatsache, dass man stets zwei Energiereservoirs benötigt, um eine Wärmekraftmaschine zu betreiben, ist eine wichtige Erkenntnis von Carnot.

Wird der Carnot-Prozess in umgekehrter Richtung durchlaufen, so entzieht er dem kälteren Reservoir Wärme und führt sie dem wärmeren Reservoir (zusammen mit der in Wärme umgesetzten Arbeitsenergie) zu. Eine solche Vorrichtung wird Wärmepumpe genannt. Wärmepumpen werden z.B. als Kühlaggregate oder zur energiesparenden Beheizung von Gebäuden verwendet.

Der thermische Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses errechnet sich aus:

Carnot  - Gleichung

Jeder reversible Kreisprozess hat genau denselben Wirkungsgrad wie der Carnot-Prozess, wenn die mittleren thermodynamischen Temperaturen bei der Wärmezufuhr und bei der Wärmeabfuhr mit denen der Isothermen im Carnot-Prozess übereinstimmen.

Programmbedienung

Mit Hilfe des zur Verfügung stehenden Modells ist es möglich sich diesen reversiblen Kreisprozess in einem idealen Gas zu veranschaulichen. Hierbei werden zwei adiabatische sowie zwei isotherme Prozesse durchlaufen. Durch Bedienung der Schieberegler T1 und T2 können die Temperaturen der Reservoirs eingestellt werden. Am dargestellten Energiediagramm werden die Änderung der inneren Energie ΔU, die dem System zugeführte Wärmeenergie Q und die am System verrichtete Arbeit W ermittelt. Auch wird der Wirkungsgrad des Kreisprozesses ausgegeben. Starten können Sie die Simulation, indem Sie die Schaltfläche Start bedienen. Mit Hilfe des Schalters Urzustand versetzen Sie die Darstellung wieder in den Anfangszustand.
 

Module zum Themenbereich Thermodynamik


Isochore Zustandsänderung - Isobare Zustandsänderung - Isotherme Zustandsänderung - Adiabatische Zustandsänderung - Carnotscher Kreisprozess - Aggregatzustände - Mischungsregel - Reales Gas - Molekülgeschwindigkeit


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