Thermodynamik

Kreisprozesse

Zu Beginn dieser Playlist wollen wir dir erklären, was überhaupt ein Kreisprozess ist und welche Arten von Prozessen es gibt.

Inhaltsübersicht

Arten der thermodynamischen Kreisprozesse

In der Thermodynamik laufen verschiedene Zustandsänderungen an Arbeitsmedien ab. Bei Kreisprozessen handelt es sich um mehrere periodisch ablaufende Zustandsänderungen. Das heißt, dass immer wieder der Ausgangszustand erreicht wird.

Anfangszustand\ =\ Endzustand

Die thermodynamischen Kenngrößen wie Druck, Volumen, Temperatur und Entropie erreichen also immer wieder den Ausgangszustand.

Reversible und irreversible Kreisprozesse

Kreisprozesse können wir in p-V- und T-S-Diagrammen darstellen. Wichtig ist, dass der Hinweg zu einem Zustandspunkt anders aussieht als der Rückweg. Im p-V-Diagramm wird durch die Kurven der Zustandsänderungen eine Fläche umrandet, die bei reversiblen Prozessen der Nettoarbeit entspricht.

Thermodynamische Kreisprozesse, reversible Kreisprozesse, irreversible Kreisprozesse
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Das P-V und das T-S Diagramm

Reversible Prozesse sind ideale thermodynamische Zustandsänderungen, die wir umkehren können, ohne dass die Systeme bleibende Veränderungen erfahren. In der Realität sind die technischen Prozesse allerdings irreversibel. Bei ihnen kommt es zur Energiedissipation, also zu einem Energieverlust, zum Beispiel durch Reibung. Bei den Kreisprozessen, die wir betrachten wollen, handelt es sich allerdings um Vergleichsprozesse. Daher müssen wir die dissipierte Arbeit nicht berücksichtigen.

Diese Vergleichsprozesse werden herangezogen um die Effizienz eines Kreisprozesses zu beurteilen und werden dann mit dem idealen theoretischen Kreisprozess, dem Carnot-Prozess verglichen, da dieser den maximal möglichen Wirkungsgrad besitzt. Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik ist dieser Wirkungsgrad theoretisch möglich, in der Praxis allerdings nicht ganz erreichbar.

Rechts- und Linksläufiger Kreisprozess

Eine weitere Unterscheidung können wir in der Ablaufrichtung der Kreisprozesse tätigen. Hier gibt es links- und rechtsläufige Kreisprozesse. Rechtsläufige Kreisprozesse verlaufen im Uhrzeigersinn.

Bei diesen wird Wärme in Arbeit umgewandelt. Man spricht auch von Wärmekraftmaschinen. Ein Teil der zugeführten Wärme wird also in Arbeit umgewandelt und der andere Teil wird bei einer niedrigeren Temperatur wieder vom System abgegeben.

Thermodynamische Kreisprozesse
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Wärmekraftmaschine als rechtsläufiger Kreisprozess

Die Differenz zwischen den beiden Wärmemengen ist die netto abgegebene Arbeit. Die Arbeit erhalten wir, weil bei einer niedrigen Temperatur und bei geringem Druck das Arbeitsmedium komprimiert beziehungsweise verdichtet wird und bei hoher Temperatur und hohem Druck wieder expandiert wird.
Bei der Kompression wird Arbeit aufgewendet und bei der Expansion Arbeit abgegeben. Da der Betrag der Volumenarbeit bei der Expansion größer ist als bei der Kompression, erhalten wir eine positive Nettoarbeit. Beispiele für rechtsläufige Kreisprozesse sind Gasturbinen und Verbrennungsmotoren .

Bei linksläufigen Kreisprozessen verlaufen die Diagramme gegen den Uhrzeigersinn. Wie du dir sicherlich schon denken kannst, läuft hier alles umgekehrt ab. Durch Arbeit wird Wärme von einem kälteren in ein wärmeres Reservoir befördert. Beispiele hierfür sind Wärmepumpen und Kühlschränke.

Beispiel zum Rechtsläufigen Kreisprozess

Expandiert ein Gas von Zustand 1 auf Zustand 2, so wird die negative Volumenänderungsarbeit W abgegeben.

W= -p\times \Delta V

Gehen wir also davon aus, dass ein Gas erhitzt wird und sich das Volumen von V_1=14m^3 auf  V_2=16m^3 erhöht. Der Druck liegt konstant bei p=103.325 Pa.
Setzen wir die Werte in die Formel ein, so erhalten wir:

W= -103.35 Pa\times (16m^3 - 14m^3 )=-206.7Nm

Offener und geschlossener Kreisprozess

Zu guter Letzt unterscheiden wir noch zwischen offenen und geschlossenen Kreisprozessen. Dabei handelt es sich um Unterschiede bei der Wärmezufuhr. Bei Verbrennungsmotoren haben wir zum Beispiel einen offenen Kreisprozess. Der Treibstoff wird im Motor verbrannt und es entsteht Wärme.

Verbrennungsmotor, Thermodynamische Kreisprozesse
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Offene Kreisprozesse

Anschließend müssen die Abgase ausgestoßen und Frischluft angesaugt werden. Das Arbeitsmedium wird also fortlaufend ausgetauscht. Bei geschlossenen Kreisprozessen hingegen zirkuliert das Arbeitsmedium und wird nicht ausgetauscht, sondern heruntergekühlt.

Sehr gut! Nun weißt du, dass Kreisprozesse periodisch ablaufende und aneinandergehängte Zustandsänderungen sind.
Wir können diese sogar noch unterscheiden in reversibel und irreversibel, rechts- und linksläufig, offen und geschlossen.

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