Was ist thermischer Wirkungsgrad?

Der thermische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Leistungsabgabe dividiert durch die Leistungsaufnahme in ein System. Er muss zwischen 0 % und 100 % liegen. Ein Wert von 100 % würde bedeuten, dass die gesamte in ein System eingebrachte Energie auch wieder herauskommt, wenn auch in einer anderen Form. Sowohl Wärmekraftmaschinen als auch Kühlschränke weisen einen damit verbundenen thermischen Wirkungsgrad auf, obwohl sie gegensätzliche Ziele verfolgen. In der Praxis sinken die thermischen Wirkungsgrade aus verschiedenen Gründen typischerweise deutlich unter 100 %.

In einem Benzinmotor wird die zugeführte Energie in den chemischen Bindungen eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs gespeichert. Ein Kohlenwasserstoffmolekül besteht vollständig aus Wasserstoff und Kohlenstoff. Wenn sich diese Moleküle mit Sauerstoff verbinden, können sie chemisch reagieren und dabei Kohlenmonoxid und Wasser bilden; Im Wesentlichen spaltet sich das Kohlenwasserstoffmolekül und verbindet sich mit Sauerstoffatomen. Der für einen Motor nützliche Teil dieser Reaktion ist jedoch die freigesetzte Wärme. Die bei der Verbrennung von Benzin freigesetzte Wärme ist der relevante Energieeintrag für den thermischen Wirkungsgrad.

Bei der Berechnung des Wirkungsgrads eines Motors handelt es sich bei der Energieabgabe nicht um Wärme, sondern um mechanische Arbeit. In der Physik ist Arbeit die Energiemenge, die von einer aus der Ferne wirkenden Kraft übertragen wird. Das Schieben einer Kiste über eine bestimmte Strecke über einen Teppich erfordert nur einen begrenzten Arbeitsaufwand; Dies ist gleich dem Produkt aus der zurückgelegten Strecke und der durchschnittlichen ausgeübten Kraft. Auf die gleiche Weise funktioniert ein Benzinmotor, wenn Sie die Räder eines Autos antreiben.

Bei einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage ist das Wärme-Arbeits-Verhältnis umgekehrt. Das gewünschte Ergebnis in dieser Situation besteht darin, einem System Wärme zu entziehen und sie an die Außenumgebung abzugeben. Der verfügbare Input ist daher mechanische Arbeit, die oft von einem elektrisch angetriebenen Kompressor bereitgestellt wird. Zur Berechnung des Wirkungsgrades muss jedoch immer noch die Ausgangsleistung durch die Eingangsleistung dividiert werden. Der Unterschied zu einem Benzinmotor besteht natürlich darin, dass der Output Wärme und der Input Arbeit ist.

Ein typischer Automotor hat einen thermischen Wirkungsgrad von weniger als 35 %. Diese Zahl erscheint aus zwei wichtigen Gründen niedrig. Erstens gibt es eine theoretische Obergrenze für den thermischen Wirkungsgrad jeder Wärmekraftmaschine, die mit der Systemtemperatur im Vergleich zur Umgebungstemperatur zusammenhängt. Je größer der Temperaturunterschied, desto höher ist der maximale Wirkungsgrad, den ein idealer reibungsfreier Motor erreichen kann. Dies wird als Carnot-Effizienz bezeichnet.

Der zweite Grund, warum Automotoren scheinbar einen geringen Wirkungsgrad haben, besteht darin, dass Motoren nicht dazu gebracht werden können, sich ideal zu verhalten. Die Reibung zwischen beweglichen Teilen führt ständig dazu, dass der Motor langsamer wird. Ein Teil der Wärme entweicht aus der Brennkammer und wird für den Motor unbrauchbar. Der Kraftstoff verbrennt nicht immer bei der höchsten erreichten Temperatur, wodurch die freigesetzte Wärmemenge verringert wird. Aus diesen Gründen liegt der thermische Wirkungsgrad in realen Geräten tendenziell deutlich unter 100 %.

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