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Maximaler Wirkungsgrad

Wie viel Wärme sich höchstens in Arbeit verwandeln lässt, entscheiden allein die beiden Temperaturen: ηmax = 1 − Tk : Th.

1 Einstieg

Warum nie alles Arbeit wird

Der Stirlingmotor braucht beides: eine heiße und eine kalte Seite.

Die Abwärme ist deshalb kein Konstruktionsfehler.

  • Bedingung:Ohne kalte Seite läuft der Motor gar nicht.
  • Abwärme:Ein Teil der Wärme muss immer abgegeben werden.
  • Folge:Ein Wirkungsgrad von 100 % ist grundsätzlich unmöglich.
Merke

Wirkungsgrad:

\( \eta = \dfrac{W_{\mathrm{nutz}}}{Q_{\mathrm{zu}}} \)

\( W_{\mathrm{nutz}} \): Abgegebene Arbeit in Joule (J).

\( Q_{\mathrm{zu}} \): Zugeführte Wärme in Joule (J).

η: Zahl ohne Einheit, meist in Prozent angegeben.

2 Erklärung

Die obere Grenze hängt nur an zwei Temperaturen

Über die Obergrenze entscheiden allein die beiden Temperaturen.

  • Maßgeblich:Das Verhältnis von kalter zu heißer Temperatur.
  • Ohne Einfluss:Bauart, Gas und Größe der Maschine.
  • Einheit:Beide Temperaturen immer in Kelvin einsetzen.
Merke

Maximaler Wirkungsgrad einer thermodynamischen Maschine:

\( \eta_{\max} = \dfrac{T_h - T_k}{T_h} = 1 - \dfrac{T_k}{T_h} \)

\( T_h \): Temperatur der heißen Seite in Kelvin (K).

\( T_k \): Temperatur der kalten Seite in Kelvin (K).

Obergrenze: Jede reale Maschine bleibt unter diesem Wert.

Der Balken zeigt, welcher Anteil der zugeführten Wärme bestenfalls zu Arbeit werden kann — und wie viel zwangsläufig als Abwärme übrig bleibt. Verändere die Temperaturen der heißen und der kalten Seite.

Maximaler Wirkungsgrad

Energiefluss einer Wärmekraftmaschine: zugeführte Wärme teilt sich in Nutzarbeit und Abwärme zugeführte Wärme 100 % Tₕ = 600 K Maschine Nutzarbeit / Abwärme 50 % 50 % Tₖ = 300 K

Maximaler Wirkungsgrad: 50 %. Auch die beste denkbare Maschine bleibt unter diesem Wert.

Halte fest: Zwei Ablesungen lohnen sich: Bei \( T_h = T_k \) wird \( \eta_{\max} = 0 \) — ohne Temperaturunterschied gibt es keine Arbeit. Und \( \eta_{\max} = 1 \) gäbe es nur bei \( T_k = 0\ \mathrm K \), was unerreichbar ist.

Größenordnungen in der Technik
Maschine\( T_h \)\( T_k \)\( \eta_{\max} \)real
Kohlekraftwerk870 K300 K66 %ca. 45 %
Ottomotor1100 K350 K68 %ca. 30 %
Stirlingmotor im Unterricht600 K300 K50 %wenige %
3 Hinweise

Worauf du achten musst

Kelvin, nicht Celsius

Mit °C kommt Unsinn heraus. 600 °C und 27 °C sind 873 K und 300 K.

ηmax ist eine Obergrenze

Sie sagt, was höchstens geht. Das Ergebnis ist eine Zahl zwischen 0 und 1.

Nicht die Differenz allein

ΔT = 300 K ergibt bei \( T_h = 600\,\mathrm K \) 50 %, bei \( T_h = 1200\,\mathrm K \) nur 25 %. Es zählt das Verhältnis.

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