Verbrennungsmotoren – Kreisprozesse

Hinführung

Arbeit oder andere hochwertige Energieformen lassen sich  uneingeschränkt und gewissermaßen von selbst (beispielsweise durch Reibung) in Wärme umwandeln. Demgegenüber ist die Umwandlung von Wärme in Arbeit nach dem 2. Hauptsatz nur eingeschränkt und niemals vollständig möglich. Zudem bedarf es einer technischen Vorrichtung bzw. Erfindung wie z.B. der Dampfmaschine oder des Dieselmotors, um fortwährend Wärme in Arbeit verwandeln zu können. Genau dieses Fortwährende ist – im Gegensatz zum einmaligen Hochheben eines Kolbens – das Kennzeichen einer Maschine. Damit eine Maschine fortwährend Wärme in Arbeit umwandeln kann, muss das Arbeitsgas der Maschine im p(V)-Diagramm einen zyklischen Prozess durchlaufen, d.h. das thermodynamische System kehrt nach einer Folge von Prozessen stets wieder in den Ausgangszustand zurück. Eine solche geschlossene Kurve bezeichnet man als Kreisprozess. Je nachdem, in welchem Drehsinn die Kurve durchlaufen wird, unterscheidet man rechts- und linksgängige Kreisprozesse. In der folgenden Darstellung ist der Kreisprozess einer Wärmekraftmaschine zu sehen, also ein rechtsgängiger Kreisprozess, bei dem insgesamt gesehen Arbeit nach außen abgegeben wird.

Da beim Kreisprozess stets wieder der Anfangszustand erreicht wird, haben auch alle Zustandsgrößen nach einem Durchlauf des Kreisprozesses wieder ihre Ausgangswerte. Das gilt natürlich auch für die innere Energie U, ihre Änderung ist nach dem Durchlauf eines Kreisprozesses gleich Null.

Für einen Kreisprozess gilt nach jedem vollständigen Durchlauf: ΔU = 0

Wendet man den 1. Hauptsatz auf Kreisprozesse an, so folgt wegen DeltaU = 0, dass die Summe aller während des Kreisprozesses auftretenden Wärmen plus die Summe aller umgesetzten Arbeiten gleich Null sein muss:

SigmaQ + SigmaW = 0

Rechtsgängige Kreisprozesse

Damit ein Kreisprozess Arbeit nach außen abgibt, muss die Expansionskurve des Kreisprozesses oberhalb der Kompressionskurve verlaufen. Um das zu erreichen, muss vor und/oder während der Kompression gekühlt und vor und/oder während der Expansion geheizt werden. Während der Expansion wird Arbeit nach außen an die Kurbelwelle abgegeben und zwar genau soviel wie es dem Flächeninhalt unter der Expansionskurve entspricht. Bei der Kompression wird Arbeit von außen aufgenommen, um das Gas zu komprimieren. Diese Kompressionsarbeit entspricht dem Flächeninhalt unter der Kompressionskurve. Die Arbeit, die ein rechtsgängiger Kreisprozess ‚unterm Strich‘ nach außen liefert, ist die Expansionsarbeit abzüglich der Kompressionsarbeit. Diese als Nutzarbeit WN bezeichnete Größe einer Wärmekraftmaschine entspricht gerade dem Flächeninhalt der vom Kreisprozess eingeschlossenen Fläche im p(V)-Diagramm.

Da Maschinen mit rechtsgängigem Kreisprozess Wärme in Arbeit (Kraft) umwandeln, nennt man sie Wärmekraftmaschinen (WKM).

Linksgängige Kreisprozesse

Verläuft bei einem Kreisprozess die Kompressionskurve über der Expansionskurve, dann hat er einen linksgängigen Umlaufsinn; man spricht von linksgängigen Kreisprozessen. In der Bilanz wird einer solchen Maschine Arbeit von außen zugeführt. Damit kann beispielsweise Wärme gegen die natürliche Flussrichtung von kalt nach warm gepumpt werden. Man bezeichnet diese Kreisprozesse als Wärmepumpenprozesse.

In der nachfolgenden Abbildung sind die Prinzipdarstellungen für rechtsgängige Wärmekraftprozesse (linkes Bild) und linksgängige Wärmepumpenprozesse (rechtes Bild) einander gegenübergestellt.

Der Wärmepumpenprozess kann im Prinzip dadurch realisiert werden, indem man die Laufrichtung einer Wärmekraftmaschine umkehrt und ihr mechanische Arbeit zuführt. Diese aufgewandte Arbeit Wauf lässt sich auch beim Wärmepumpenprozess als Flächeninhalt der vom linksgängigen Kreisprozess eingeschlossenen Fläche wieder finden.

Wärmepumpenprozesse findet man nicht nur bei den nach ihnen benannten Wärmepumpen, sondern auch bei allen Kältemaschinen, wie Kühlschrank, Gefrierschrank usw.

Weiter
Zurück