Wärmekraftmaschine

In der Thermodynamik und Technik ist eine Wärmekraftmaschine ein System, das Wärme oder Wärmeenergie - und chemische Energie - in mechanische Energie umwandelt, die dann für mechanische Arbeiten verwendet werden kann. Dies geschieht, indem eine Arbeitssubstanz von einer höheren Zustandstemperatur auf eine niedrigere Zustandstemperatur gebracht wird. Eine Wärmequelle erzeugt Wärmeenergie, die den Arbeitsstoff in den Hochtemperaturzustand bringt. Die Arbeitssubstanz erzeugt Arbeit im Arbeitskörper des Motors, während sie Wärme auf die kältere Senke überträgt, bis sie einen Zustand niedriger Temperatur erreicht. Während dieses Prozesses wird ein Teil der Wärmeenergie unter Ausnutzung der Eigenschaften des Arbeitsstoffs in Arbeit umgewandelt. Die Arbeitssubstanz kann ein beliebiges System mit einer Wärmekapazität ungleich Null sein, ist jedoch üblicherweise ein Gas oder eine Flüssigkeit. Während dieses Vorgangs geht viel Wärme an die Umgebung verloren und kann daher nicht in Arbeit umgewandelt werden.

In der Thermodynamik werden Wärmekraftmaschinen häufig mit einem Standard-Engineering-Modell wie dem Otto-Zyklus modelliert. Das theoretische Modell kann mithilfe von Tools wie einem Indikatordiagramm mit den tatsächlichen Daten eines laufenden Motors verfeinert und ergänzt werden. Da nur sehr wenige tatsächliche Implementierungen von Wärmekraftmaschinen genau mit den zugrunde liegenden thermodynamischen Zyklen übereinstimmen, kann man sagen, dass ein thermodynamischer Zyklus ein idealer Fall für einen mechanischen Motor ist. Um einen Motor und seinen Wirkungsgrad vollständig zu verstehen, muss man das (möglicherweise vereinfachte oder idealisierte) theoretische Modell, die praktischen Feinheiten eines tatsächlichen mechanischen Motors und die Diskrepanzen zwischen beiden gut verstehen.

Im Allgemeinen ist der potenzielle thermische Wirkungsgrad des Kreislaufs umso größer, je größer der Temperaturunterschied zwischen der heißen Quelle und der kalten Senke ist. Auf der Erde ist die kalte Seite einer Wärmekraftmaschine auf die Umgebungstemperatur beschränkt oder nicht viel niedriger als 300 Kelvin, daher konzentrieren sich die meisten Anstrengungen zur Verbesserung der thermodynamischen Effizienz verschiedener Wärmekraftmaschinen auf die Erhöhung der Temperatur der Wärmekraftmaschine Quelle, innerhalb der materiellen Grenzen. Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (den kein Motor jemals erreicht) ist gleich der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Ende geteilt durch die Temperatur am heißen Ende, alle ausgedrückt als absolute Temperaturen.

Es ist wichtig zu beachten, dass einige Zyklen zwar einen typischen Verbrennungsort haben (intern oder extern), sie jedoch häufig mit dem anderen implementiert werden können. Zum Beispiel hat John Ericsson einen externen beheizten Motor entwickelt, der in einem ähnlichen Zyklus wie der frühere Dieselzyklus läuft. Darüber hinaus können fremdbeheizte Motoren häufig in offenen oder geschlossenen Kreisläufen eingesetzt werden. Beispiele für alltägliche Wärmekraftmaschinen sind das Wärmekraftwerk, der Verbrennungsmotor und die Dampflokomotive.