Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren.

Dagegen wird eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, als Kraftwärmemaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet.

Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-S- oder p-v-Diagramm im Sinne „oben nach rechts, unten nach links“ durchlaufen wird. Wärmepumpen nutzen „linkslaufende“ Kreisprozesse.

Wirkungsgrad

Als Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfließenden Wärmeenergie bezeichnet, der in die genutzte mechanische Energie umgewandelt wird. Eine obere Grenze für ihn ist durch den Wirkungsgrad ${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}}$ des Carnot-Prozesses gegeben, bei dem Wärmeaufnahme und -Abgabe bei definierten Temperaturniveaus ${\displaystyle {T_{\mathrm {max} }}}$ und ${\displaystyle {T_{\mathrm {min} }}}$ stattfinden und keine Reibungs-, Wärmeabfluss- und Wärmetransportverluste entstehen. Für ihn gilt:

${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}={\frac {T_{\mathrm {max} }-T_{\mathrm {min} }}{T_{\mathrm {max} }}}=1-{\frac {T_{\mathrm {min} }}{T_{\mathrm {max} }}}}$

Voraussetzung für die Erreichung des Carnotschen Wirkungsgrades ist, dass alle Teilprozesse des Kreisprozesses reversibel gestaltet sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Größe namens Entropie S des Gesamtsystems aus Wärmekraftmaschine und Umgebung nicht wächst. (Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann sie nicht geringer werden, also muss sie konstant bleiben.)

${\displaystyle \Delta S=\oint dS=\oint {\frac {dQ}{T}}=0}$

(dQ ist die ausgetauschte Wärmemenge eines infinitesimal kleinen Prozessschritts, T die dazugehörige Temperatur):

Der Carnotsche Wirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, da

• die Wärmeaufnahme auch bei niedrigeren Temperaturen als ${\displaystyle T_{\mathrm {max} }}$ und die Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als ${\displaystyle {T_{\mathrm {min} }}}$ stattfindet (z. B. im Stirling-Prozess),
• trotz Isolation immer Wärmetransport ohne Austausch von Arbeit stattfindet,
• jede Maschine Reibungsverluste aufweist, die ebenfalls das Verhältnis von Wärme- zu Arbeitsfluss verschlechtern, und schließlich
• bei schnell ablaufenden Prozessen der Wärmestrom aufgrund des nichtverschwindenden Wärmewiderstands eine Temperaturdifferenz benötigt, die für die Umwandlung in Arbeit verloren geht (siehe Wärmeleitung).

Für Wärmepumpen ist die verwendete charakteristische Größe die Leistungszahl.

Beispiele

Einteilung (Typologie)

Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird, gehören Wärmekraftmaschinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen.

Siehe auch

• Kraftmaschine
• Mikro-KWK
• Kraft-Wärme-Kopplung
• Schukey-Motor

Weblinks

• Weitere Details bei Physikon Physik-Lexikon