Wärmekraftmaschine

Wärmekraftmaschine Übung

• 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.