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Thermodynamik.
Energieumwandlung

Was ist ein thermodynamischer Kreisprozess? Typen und Beispiele

Was ist ein thermodynamischer Kreisprozess? Typen und Beispiele

Ein thermodynamischer Kreisprozess besteht aus thermodynamischen Prozessen, bei denen Wärmeenergie übertragen wird. Diese Abfolge thermodynamischer Prozesse zielt darauf ab, Arbeit von zwei Wärmequellen bei unterschiedlichen Temperaturen zu erhalten oder umgekehrt durch die Abgabe von Arbeit den Übergang von Wärme von der Quelle mit niedrigerer Temperatur zu höherer Temperatur zu bewirken.

Hochwasserkatastrophe in Kreuzberg ...
Hochwasserkatastrophe in Kreuzberg bei Altenahr

Die Gewinnung von Arbeit aus zwei Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen wird zur Erzeugung von Bewegung genutzt – zum Beispiel der Antrieb von Turbinen zur Erzeugung elektrischer Energie.

In einem umgekehrten thermodynamischen Zyklus erhalten wir Wärme, indem wir etwas mechanische Arbeit ausüben. Dann wird dem Prozess externe Arbeit hinzugefügt, um zu bewirken, dass eine Wärmeübertragung von der kühleren Quelle zu der heißeren Quelle stattfindet, im Gegensatz zu dem, was normalerweise auf natürliche Weise geschehen würde. Diese Anordnung wird in Klima- und Kühlkreisläufen verwendet.

Arten von thermodynamischen Zyklen

Wir können thermodynamische Zyklen nach ihrer Reversibilität klassifizieren:

Reversibler Zyklus

Wir definieren einen reversiblen Kreislauf als einen Kreislauf, in dem wir keine Energie aus irgendeinem Grund wie Strahlung, Leitung oder Reibung verlieren. Daher ist es in einem reversiblen Prozess möglich, ihn nach Fertigstellung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen.

Wenn beim Variieren von Druck, Temperatur oder anderen thermodynamischen Eigenschaften kein Energieaustausch aus dem System stattfindet, können wir den Vorgang auf beiden Seiten wiederholt wiederholen. 

Wenn Sie zum Beispiel etwas Wasser mit einem konstanten Volumen nehmen, das von seiner Umgebung isoliert ist, und anfangen, Druck darauf auszuüben, verwandelt es sich in Dampf. Natürlich können wir mit variierendem Druck und Temperatur den Anfangszustand ändern. Wenn wir jedoch den Druck auf seinen Anfangszustand zurückbringen, kehrt der Dampf in seine flüssige Form zurück.

Irreversibler Zyklus

In der Thermodynamik ist ein irreversibler Zyklus ein Prozess, der wie die Entropie zeitlich nicht umkehrbar ist. Aus dieser thermodynamischen Perspektive sind alle natürlichen Prozesse irreversibel.

Der deutsche Physiker Rudolf Clausius war in den 1850er Jahren der erste, der das Phänomen der Irreversibilität in der Natur quantifizierte, und zwar durch die Einführung des Entropiebegriffs.

Leistung des thermodynamischen Zyklus

Die Leistung ist definiert als die erhaltene Arbeit dividiert durch die im thermodynamischen Prozess freigesetzte Wärme in derselben vollständigen Zykluszeit, wenn der Prozess kontinuierlich ist. Dieser Parameter ist je nach den mehreren thermodynamischen Zyklen unterschiedlich, wird jedoch durch den Carnot-Faktor oder die Ausbeute begrenzt.

Der Wirkungsgrad ist der Hauptparameter, der einen thermodynamischen Kreisprozess charakterisiert. 

Beispiele thermodynamischer Zyklen

Es gibt viele Arten von thermodynamischen Zyklen. Hier sind einige der prominentesten Beispiele:

1. Carnot-Zyklus

Der Carnot-Zyklus ist ein theoretischer Zyklus zum Vergleich der thermischen Effizienz von Wärmekraftmaschinen. Es ist ein reversibler Zyklus, der von einem "Carnot-Motor" ausgeführt wird, der an zwei Quellen mit unterschiedlichen Temperaturen angeschlossen ist. Sie verwendet als Arbeitsmittel ein ideales Gas, durch dessen Umwandlungen mechanische Arbeit gewonnen wird.

2. Organischer Rankine-Zyklus

Der Organic Rankine Cycle ist ein Vorhersagemodell für den Betrieb eines Gasturbinensystems. Dieses Modell verwendet ein organisches Arbeitsfluid mit hohem Molekulargewicht mit einem Flüssigkeits-zu-Dampf-Phasenwechsel oder Siedepunkt bei einer niedrigeren Temperatur als der Wasser-zu-Dampf-Phasenwechsel.

3. Dieselzyklus

Der Dieselzyklus ist einer der am häufigsten verwendeten Zyklen in den Verbrennungsmotoren von Automobilen.

Bei Dieselmotoren wird die Bewegung durch die Selbstzündung des Kraftstoffs aufgrund hoher Temperaturen nach der Kraftstoffverdichtung erzeugt.

Während des Dieselkreislaufs treten vier Prozesse auf: zwei isentrope Prozesse, die sich mit einem isochoren Prozess und einem isobaren Prozess abwechseln.

4.Otto-Zyklus

Der Otto-Zyklus ist der thermodynamische Zyklus, der auf Verbrennungsmotoren mit Zündung durch einen elektrischen Funken (Benzinmotoren, Ethanol, Erdölgase oder andere leicht flüchtige und brennbare Substanzen) angewendet wird. Die gesamte Wärme wird in einem Otto-Kreislauf mit konstantem Volumen zugeführt.

Nicolaus Otto erfand diesen Zyklus 1876, was nur eine theoretische Annäherung war.

5. Stirling-Zyklus

Der Stirling-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der die Motoren des Stirling-Prinzips zum Ausdruck bringt.

Der Stirling-Kreisprozess wird als reversibler Kreisprozess betrachtet. Wenn dem Kreislauf etwas mechanische Energie zugeführt wird, fungiert er als Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen und sogar zum tiefen oder extremen Kühlen.

Es ist auch ein geschlossener Kreislauf, in dem die Flüssigkeit, die darin fließt, den Prozess nie verlässt.

6.Bryton-Zyklus

Der Brayton-Zyklus, auch bekannt als Joule-Zyklus oder Froude-Zyklus, ist ein thermodynamischer Zyklus. Es besteht aus einer adiabatischen Kompressionsstufe, einer isobaren Erwärmungsstufe und einer adiabatischen Expansion eines komprimierbaren thermodynamischen Fluids.

Es ist einer der am weitesten verbreiteten thermodynamischen Zyklen, da es die Grundlage des Gasturbinentriebwerks ist.

Das Produkt des Kreislaufs kann von mechanischer Arbeit zur Stromerzeugung in Erdgasbrennern oder einer anderen Verwendung – im Falle der Stromerzeugungsindustrie bzw. einiger Land- oder Schiffsmotoren – bis zur Erzeugung eines Schubs in einem Jet reichen Motor.

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Erscheinungsdatum: 17. Juni 2019
Geändert am: 22. Januar 2022