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Thermodynamik; Statistische Mechanik; thermodynamisches System; Wärme; Arbeit; Wärmekraftmaschine

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Dampfmaschine & Co.

Dampfmaschinen als thermodynamisches System

Bei Dampfmaschinen denkt man heutzutage am ehesten an Dampfloks oder Dampfschiffe – und mit diesen bringt man Kohlen-schippen, Feuer und Hitze in Verbindung. Auch die modernen Verbrennungsmotoren in Autos haben Feuer und Hitze schon im Namen. All diese Maschinen haben gemeinsam, dass in ihnen Wärme in mechanische Energie umgewandelt wird: Der Maschine wird Wärme zugeführt und sie gibt mechanische Energie in Form von beispielsweise sich bewegenden Kolben ab.

Will man die Funktionsweise einer Dampfmaschine beschreiben, geht es also um Umwandlungen von verschiedenen Energieformen ineinander, wobei eine der vorkommenden Energieformen die Wärme ist. Etwas abstrakt heißen solche physikalischen Systeme, bei denen Wärme ausgetauscht wird, thermodynamische Systeme.

Die Thermodynamik oder Wärmelehre beschreibt die Vorgänge, bei denen Energie in Form von Wärme vorkommt. Genau genommen wählt die Thermodynamik den makroskopischen Blick auf ein System und betrachtet beispiesweise ein Gas, indem sie seine Eigenschaften wie Temperatur oder Druck beschreibt. Die Statistische Mechanik betrachtet das System mikroskopisch – untersucht also, wie die makroskopischen Eigenschaften auf Eigenschaften der Gasteilchen zurückgeführt werden können. So bedeutet zum Beispiel eine hohe Temperatur des Gases eine hohe Geschwindigkeit seiner Teilchen. (siehe: Gasgesetz.)

Führt man einem thermodynamischen System Wärme zu, wird dadurch seine innere Energie erhöht. Eine andere Möglichkeit, die innere Energie eines thermodynamischen Systems zu ändern, ist, an ihm Arbeit zu verrichten oder aber es Arbeit verrichten zu lassen (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Verrichtet ein thermodynamisches System Arbeit, nimmt seine innere Energie ab. Das eröffnet die Möglichkeit, einem System Wärme zuzuführen und die dadurch erhöhte innere Energie dann zu nutzen, um aus dem System Arbeit, also mechanische Energie, zu erhalten – also eine Wärmekraftmaschine zu bauen. Eine Wärmekraftmaschine entnimmt einem Wärmespeicher mit höherer Temperatur Wärme, gibt Arbeit ab und eine entsprechend kleinere Wärmemenge an einen zweiten kälteren Wärmespeicher. Dampfmaschinen sind also Wärmekraftmaschinen.

Die Maschine soll natürlich nicht nur einmalig, sondern kontinuierlich laufen können. Sie muss also am Ende eines Arbeitsganges wieder im Ausgangszustand angekommen sein, damit der nächste Arbeitsgang nahtlos anschließen kann. Das heißt, die Maschine muss einen periodischen Prozess durchlaufen, einen Kreisprozess.