Der Carnot-Prozess - Reversible und irreversible Prozesse
Der Prozess ist nach dem französischen Wissenschaftler N.L. Sadi Carnot benannt, welcher im frühen 19. Jahrhundert die Umwandlung von Wärme in mechanische Energie detailliert untersuchte.
- Ursprünglich wollte der Wissenschaftler den Wirkungsgrad, also die Effiizienz von Energiewandlung und Energieübertragung, von Wärmekraftmaschinen erhöhen. Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärmeenergie bzw. Wärme in mechanische Energie unwandelt. Im Jahre 1824 erfand Sadi Carnot, basierend auf Theorien, einen idealisierten Maschinentyp, welcher heutzutage als Carnot-Maschine bekannt ist und auf reversiblen und irreversiblen Prozessen basiert.
- Ein reversibler Prozess läuft unendlich langsam ab, sodass er als eine Reihe von vielen Gleichgewichtszuständen angesehen werden kann. Dieser Prozess könnte auch rückwärts ablaufen, ohne Änderung der dabei ausgetauschten Wärme oder der auftretenden Arbeit. Zum Beispiel könnte ein Gas in einem Zylinder, der mit einem reibungsfrei beweglichen Kolben ausgestattet ist, isotherm komprimiert und wieder entspannt werden. Selbstverständlich handelt es sich dabei um eine Modellvorstellung und vollkommen reversible Prozesse treten so in der Realität nicht auf, dennoch können damit näherungsweise Aussagen getroffen werden.
Alle realen Prozesse sind irreversibel, also laufen sie nicht unendlich langsam ab.
Die Carnot-Maschine und der Carnot'sche Kreisprozess
Die von Carnot idealisierte Maschine durchläuft einen reversiblen Kreisprozess, worunter eine Serie reversibler Prozesse zu verstehen ist, die ein Stoff von einem anfänglichen Gleichgewichtszustand durch viele Gleichgewichtszustände durchläuft, um letzten Endes wieder zum Ausgangszustand zurückzukehren. Es wird der Carnot'sche Kreisprozess durchlaufen wobei als Arbeitsmittel ein ideales Gas angenommen wird. Unter einem idealen Gas versteht man eine idealisierte Form eines realen Gases, bei dem eine Vielzahl von Teilchen in ungeordneter Bewegung sich nur untereinander oder mit der Wand stoßen. Der Carnot'sche Kreisprozess spielt sich wie folgt ab:
Eine Kompression, sprich ein "Zusammendrücken" ist den meisten ja noch bekannt. Aber was ist eine …
- Das Gas expandiert zunächst reversibel und isotherm, also ohne seine Temperatur zu verändern. Das Gas steht im Kontakt mit einem Wärmereservoir einer bestimmten Temperatur. Es stellt dem idealen Gas, dem Arbeitsmittel, eine bestimmte Wärme zur Verfügung.
- Dann expandiert das Gas reversibel und adiabatisch, also ohne Wärme mit seiner Umgebung auszutauschen. Dabei wird keine Wärme ausgetauscht und die Temperatur des Arbeitsmittels fällt ab.
- Als nächstes findet eine reversible isotherme Kompression statt, wobei Kontakt mit einem Wärmereservoir auf der niedrigen Temperatur besteht, welches dann die Wärmemenge aus dem Arbeitsmittel aufnimmt.
- Zuletzt wird das Gas adiabatisch komprimiert und gelangt zum Ausgangszustand zurück.
In allen vier Schritten des Prozesses wird Wärme in mechanische Energie umgewandelt. Dieser Kreisprozess ist von großer Wichtigkeit, da er das Optimum der Umwandlung angibt. An dieser Stelle muss erneut betont werden, dass es sich dabei lediglich um ein theoretisches Modell handelt.
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