Der Energiebegriff - Die Zukunft Unserer Energieversorgung - page 29

für Wasser bei T k = K liegt und einem Dampfdruck von P k = bar (das sind ca. 225
mal dem Atmosphärendruck P ) entspricht. Normalerweise arbeiten Dampfmaschinenbei
kleineren Dampfdrücken und damit bei kleineren Temperaturen.
Wir wollen die Zustandsänderungen des Dampfmaschinenzyklus anhand der Abb. 2.5 b
diskutieren:
Die Änderung 1 →2 erwärmt das Wasser durch Wärmezufuhr von der Temperatur T f
auf die Temperatur T i , bei welcher die Verdampfung des Wasserseinsetzt. Da Flüssigkeiten
praktisch inkompressibel sind, erfolgt die Wassererwärmung bei konstantem Volumen. Es
handelt sich daher um eine isochore Zustandsänderung entlang der Siedekurve des Pha-
senübergangsgebiets.
Während der Änderung 2 → 3 wird das Wasser durch Zufuhr von weiterer Wärme
vollständig in Dampf verwandelt. Bei diesem Phasenübergang vergrößert sich das Dampf-
volumen, aber es bleibt der Druck konstant auf dem Wert des oberen Dampfdrucks P D,i ,
und es bleibt die Temperatur konstant auf dem Wert der Siedetemperatur T i . Zustands-
änderungen bei konstantem Druck nennt man isobareZustandsänderungen , die Wasser-
verdampfung ist also gleichzeitig eine isobare und eine isotherme Zustandsänderung.
Die Änderung 3 → 4 erfolgt bei konstanter Systementropie, ist also eine adiabatische
Zustandsänderung. Dabei vergrößert sich das Dampfvolumen weiter, aber die Temperatur
verringert sich von T i auf T f und ein Teil des Wasserdampfs kondensiert zu Wasser.
Der restlichen Phasenübergang gasförmig → flüssig vollzieht sich während der Ände-
rung 4 → 1 durch die Abfuhr von Wärme. Dies ist gleichzeitig eine isotherme Zustands-
änderung bei der Temperatur T f und eine isobare Zustandsänderung bei dem unteren
Dampfdruck P D,f . Ist der Zustand 1 erreicht, ist der gesamte Dampf wieder in Wasser ver-
wandelt und das Volumen zurückgegangen auf das Wasservolumen.
Abgesehen von der Änderung 1 →2, die isochor erfolgt, sind alle anderen Zustandsän-
derungen identisch mit denen des Carnot'schen Kreisprozesses. Wir können daher für den
Wirkungsgrad einer Dampfmaschine ansetzen

T f
T i .

η ≈ η Carnot = − (2.39)

Die obere Temperatur ist auf einen Wert T i ≈ K beschränkt, der errechnete Wirkungs-
grad beträgt daher

=

η ≈ − ,

und ist damit geringer als der eines Otto-Motors. Man kann den Wirkungsgrad ei-
ner Dampfmaschine geringfügig vergrößern, indem man den Dampf in einer weiteren
isobaren Zustandsänderung → ′ überhitzt, und anschließend die adiabatische Zu-
standsänderung ′ → ′ auf die Taulinie des Phasenübergangsgebiets durchführt, siehe
Abb. 2.5 b .
Allgemein haben Dampfmaschinen einen technisch realisierten Wirkungsgrad von η ≈
,. Deswegen werden sie heute nicht mehr in den Maßen benutzt, wie das früher der Fall