EPG  II: Ausarbeitung zum Vortrag „Die Dampfmaschine“ Referent: Martin Bruch  

Inhalt und Gliederung:

1.  Die Theorie einer Wärmemaschine  

1.1.  Der Kreisprozess  

1.2.  Geleistete Arbeit und Wirkungsgrad  

2.  Die Vorgeschichte  

2.1.  Vorläufer der Dampfmaschine von 120 v. Chr. bis  1705

2.2.  Bergbau in England um  1700

3.  Historisches und Technisches:  

3.1.  Newcomen: Die Atmosphärische Dampfmaschine  

3.2.  Watt: Die Niederdruckdampfmaschine und ihre  

Weiterentwicklungen   

4.  Gesellschaftspolitische Auswirkungen  

4.1.  Bahnbrechende Fortschritte in der Industrie  

4.2.  Die Umwälzung der Gesellschaft  

4.3.  Wissenschaft und Technik  

5.  Ausblick  

5.1.  Aktuelle Anwendungen  

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EPG II: Ausarbeitung zum Vortrag „Die Dampfmaschine“; Referent: Martin Bruch

1. Vorweg: Die Theorie einer Wärmemaschine

Generell betrachtet, ist eine Wärmemaschine ein Gerät, das aus seiner Umgebung Wärmeenergie aufnimmt und damit Arbeit leistet. Dazu benötigt sie zunächst einmal eine Arbeitssubstanz. Bei der Dampfmaschine, die wir später betrachten werden, ist dies das Wasser, bei einem Verbrennungsmotor im Auto zum Beispiel ein Gemisch aus Benzin und Luft.

1.1 Der Kreisprozess

Bei einer Wärmemaschine ist es sinnvoll einen Kreisprozess anzustreben, der dadurch definiert ist, dass Anfangszustand und der Endzustand nach einer Periode wieder gleich sind. In jedem anderen Prozess müsste an der Maschine Arbeit geleistet werden, um sie nach einer Periode wieder in den Anfangszustand zu versetzen. Ein solcher Kreisprozess, läßt sich gut mit einem p-V-Diagramm veranschaulichen, in dem das Volumen V auf der x-Achse und der Druck p auf der y-Achse aufgetragen wird. Abb.2 zeigt ein Beispiel eines solchen p-V-Diagramms. Der dort dargestellte Prozess verläuft folgendermaßen:

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(1) Das System erhält Wärme, also wird geheizt, während das Volumen des

(2) Bei weiterem Heizen wird nun der Druck konstant gehalten, während sich

(3) Nun wird das System bei konstantem Volumen gekühlt. Wir bewegen uns

(4) Schließlich gehen wir unter weiterem Kühlen auf einer Isobare zum Ausgangspunkt zurück. Der Kreisprozess ist abgeschlossen.

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Während der isobaren Vorgänge kann wie oben erwähnt Arbeit zum Beispiel in Form von Kolbenbewegungen geleistet werden. Hierbei sei erwähnt, dass es neben diesem Beispiel noch eine Vielzahl anderer Ausführungen von Kreisprozessen gibt, die z.B. noch mit Isothermen (Temperatur T=const.) und Adiabaten

(Wärmeänderung ¨Q=0) arbeiten. Um das Prinzip zu verstehen, genügt aber dieses einfache Modell.

1.2 Geleistete Arbeit und Wirkungsgrad

Die Arbeit, die während des Kreisprozesses verrichtet wird, wird mathematisch

durch das Integral

Abb.2 entspricht. Mit Hilfe des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik lässt sich die Arbeit durch die zu- und abgeführte Wärmeenergie im Kreisprozess ausdrücken: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Änderung der Inneren Energie

¨U eines Systems gleich der Summe aus seiner Gesamtwärme und seiner geleisteten Arbeit ist, also

+ = Δ Q W U

Gesamt

Nun ist aber in einem Kreisprozess ¨U=0, da Anfangs- und Endzustand gleich sind, + = = − Q Q Q W und somit gilt .. Weiterhin ist es in der Thermodynamik

k w Gesamt

Konvention, Energien, die dem System zugeführt werden, mit positivem Vorzeichen und solche, die ihm abgeführt werden, mit negativem Vorzeichen zu versehen. Somit erhalten wir also die Arbeit − = Q Q W

k w

Um nun verschiedene Wärmemaschinen miteinander vergleichen zu können, definiert den sogenannten Wirkungsgrad η :

Der Wirkungsgrad η einer Wärmekraftmaschine ist der Quotient aus verrichteter

Arbeit und zugeführter Wärme.

Je größer also unser Wirkungsgrad ist, desto effektiver arbeitet unsere Maschine. Mit unserem obigen Ausdruck für die Arbeit ergibt sich also:

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