Wärmekraftmaschinen
Wärmelehre
Klasse 9, 10
- Wie macht ein Motor aus Wärme Bewegung?
- Warum kann keine Maschine Wärme vollständig in Arbeit umwandeln?
- Wie arbeitet eine Wärmepumpe?
Schlau Fassung
Wärmekraftmaschinen
- Wärmekraftmaschinen (Dampfmaschine, Otto- und Dieselmotor, Turbine) wandeln innere Energie teilweise in mechanische Arbeit um – heißes Gas dehnt sich aus und drückt auf Kolben oder Schaufeln.
- Viertaktmotor: Ansaugen – Verdichten – Arbeiten (Zündung!) – Ausstoßen.
- Grundprinzip: Es braucht immer ein Temperaturgefälle (heiß → kalt); ein Teil der Energie geht zwingend als Abwärme an die Umgebung. Wirkungsgrade: Ottomotor \(\approx 30\,\%\), Kraftwerk \(\approx 40\,\%\), E-Motor dagegen > \(90\,\%\).
- Die Wärmepumpe kehrt den Prozess um: Mit Antriebsarbeit „pumpt“ sie Wärme von kalt (Außenluft, Erdreich) nach warm (Heizung) – aus 1 kWh Strom werden 3–5 kWh Heizwärme.
Aufgaben
- Ein Motor nimmt \(100\,\mathrm{kJ}\) Wärme auf und verrichtet \(32\,\mathrm{kJ}\) Arbeit. Berechne Wirkungsgrad und Abwärme.
Lösung
\(\eta = 32\,\%\); Abwärme \(68\,\mathrm{kJ}\). - Ordne die vier Takte des Ottomotors den Vorgängen Energieumwandlung, Verdichtung, Gaswechsel zu.
Lösung
Ansaugen/Ausstoßen: Gaswechsel; Verdichten: Arbeit wird am Gas verrichtet; Arbeitstakt: chemische → innere → mechanische Energie. - Warum heißt es „Wärmepumpe“ – was wird gepumpt und wohin?
Lösung
Wärme wird entgegen ihrer natürlichen Flussrichtung vom kalten Außenbereich auf das wärmere Heizungsniveau „gehoben“ – dazu ist Arbeit nötig.
Weiterführende Aufgaben
- Vergleiche Heizsysteme (Gasheizung, Wärmepumpe, Elektro-Direktheizung) nach Energieeinsatz für 10 000 kWh Heizwärme pro Jahr.