Die Thermodynamik untersucht Energieänderungen in physikalischen Systemen und wie diese Änderungen die Eigenschaften von Materie beeinflussen.
Als nächstes zeigen wir 4 Beispiele, die zeigen, wie sich thermodynamische Prozesse in unserem täglichen Leben manifestieren: Verbrennungsmotoren, natürliche Systeme, solarthermische Energieanlagen und aerothermische Klimaanlagen.
Verbrennungsmotoren
Verbrennungsmotoren, wie sie in Automobilen und Motorrädern zum Einsatz kommen, sind hervorragende Beispiele für die Anwendung thermodynamischer Prinzipien. Diese Motoren arbeiten in Zyklen , am häufigsten sind der Otto-Zyklus und der Diesel-Zyklus.
Otto-Zyklus
Der Otto-Zyklus ist das, was Benzinmotoren durchlaufen. Die Zündung des Kraftstoffs erfolgt über einen Funken und ist in 4 Stufen unterteilt.
Zunächst gibt es die Ansaugphase, in der sich der Kolben nach unten bewegt und ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in den Zylinder gelangt. Dieser Prozess kann als annähernd isobar angesehen werden.
Anschließend erfolgt die Kompressionsphase, in der sich der Motorkolben nach oben bewegt und das Gemisch verdichtet. Dabei handelt es sich um einen adiabatischen Prozess, bei dem Druck und Temperatur ansteigen.
Anschließend wird das Gemisch in der Verbrennungsphase entzündet, wodurch eine Explosion entsteht, die den Kolben nach unten drückt. In diesem Stadium steigt der Druck zunächst an und bleibt dann in einem isobaren Prozess konstant.
Schließlich stößt der Kolben die verbrannten Gase in der sogenannten Abgasstufe aus. Auch diese Austreibung erfolgt in einem annähernd isobaren Prozess.
Dieselzyklus
Der Dieselzyklus unterscheidet sich hauptsächlich dadurch, dass die Zündung des Kraftstoffs durch Kompression erfolgt, was einige Unterschiede in den beteiligten thermodynamischen Prozessen mit sich bringt. Auch in diesem Fall besteht es aus 4 Stufen:
In der ersten Stufe gelangt Luft in der Ansaugstufe in einem isobaren Prozess in den Zylinder.
Anschließend wird die Luft in der Kompressionsphase adiabatisch komprimiert, wodurch sich ihre Temperatur erhöht. Anschließend erfolgt die Verbrennung: Der Brennstoff wird in die heiße Luft eingespritzt, verbrennt und hält in einem isobaren Prozess einen konstanten Druck aufrecht.
Schließlich werden die verbrannten Gase in einem weiteren isobaren Prozess während der Abgasstufe ausgestoßen.
Natürliche Systeme
Es gibt zahlreiche Naturphänomene, die aufgrund thermodynamischer Prozesse auftreten.
Ein prominentes Beispiel ist der Wasserkreislauf, der Prozesse wie Verdunstung, Kondensation und Niederschlag umfasst.
- Verdunstung: Wasser aus Ozeanen, Flüssen und Seen verdunstet durch die Hitze der Sonne. Dieser Prozess kann als isochorer Prozess (Konstantvolumen) betrachtet werden, da Wasser vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht, ohne sein Volumen wesentlich zu ändern.
- Kondensation: Wasserdampf in der Atmosphäre kühlt ab und kondensiert zu Wassertröpfchen, die Wolken bilden. Bei diesem Prozess wird Wärme freigesetzt, da es sich um einen exothermen Prozess handelt.
- Niederschlag: In Wolken kondensiertes Wasser fällt als Regen, Schnee oder Hagel auf den Boden. Die potentielle Energie von Wasser in Wolken wird beim Fallen in kinetische Energie umgewandelt.
Solarthermische Kraftwerke
Solarthermische Kraftwerke nutzen die Energie der Sonne zur Stromerzeugung. Dieser Prozess umfasst mehrere thermodynamische Schritte:
- Wärmeaufnahme: Solarkollektoren fangen Sonnenstrahlung ein und wandeln sie in Wärme um. Diese Wärme wird zum Erhitzen eines Arbeitsmediums, häufig Thermoöl oder Wasser, verwendet.
- Wärmeübertragung: Die heiße Flüssigkeit überträgt ihre Energie an einen Dampferzeuger. Dabei gibt die heiße Flüssigkeit Wärme an das Wasser ab und wandelt es in Dampf um.
- Stromerzeugung: Hochdruckdampf treibt eine Turbine an, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist. Die Dampfexpansion in der Turbine ist ein adiabatischer Prozess, der thermische Energie in mechanische Energie und dann in elektrische Energie umwandelt.
- Kondensation: Der Dampf wird wieder zu Wasser kondensiert und dem System wieder zugeführt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
Klimaanlage mit Aerothermie
Aerothermische Energie ist eine effiziente Technologie zur Klimatisierung von Gebäuden, bei der die Wärmeenergie der Außenluft zum Heizen oder Kühlen von Innenräumen genutzt wird.
Aerothermische Systeme sind für unseren Zweck perfekte Beispiele, da sie auf thermodynamischen Prinzipien basieren.
- Wärmegewinnung: Im Heizbetrieb entzieht die Wärmepumpe der Außenluft auch bei niedrigen Temperaturen Wärmeenergie. Dieser Prozess beinhaltet die Verdampfung eines Kältemittels im System, ein Prozess, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt.
- Kompression: Das gasförmige Kältemittel wird komprimiert und erhöht dadurch in einem adiabatischen Prozess seine Temperatur und seinen Druck.
- Kondensation: Heißes Kältemittel kondensiert in einem Wärmetauscher und überträgt durch einen exothermen Prozess Wärmeenergie an das Heizsystem des Gebäudes.
- Expansion: Das Kältemittel strömt durch ein Expansionsventil, wodurch Druck und Temperatur reduziert werden, bevor der Kreislauf erneut beginnt.