Die Dampfmaschine. Die Erfindung und ihre gesellschaftspolitischen Auswirkungen

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

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Wärmekraftmaschine schematisch

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:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Beispiel eines p-V-Diagramms

(1) Das System erhält Wärme, also wird geheizt, während das Volumen des Systems zunächst konstant gehalten wird. Da sich die Arbeitssubstanz nicht ausdehnen kann, erhöht sich der Druck. Man könnte sich zum Beispiel einen Dampfdruck-Kochtopf vorstellen, der auf der Herdplatte steht. Eine solche Gerade im p-V-Diagramm nennt man Isochore (V=const.).
(2) Bei weiterem Heizen wird nun der Druck konstant gehalten, während sich die Arbeitssubstanz jetzt ausdehnen kann. Mann kann sich hierbei einen Kolben vorstellen, der von der expandierenden Arbeitssubstanz geschoben werden kann. Eine solche Gerade im p-V-Diagramm heißt Isobare (p=const.)
(3) Nun wird das System bei konstantem Volumen gekühlt. Wir bewegen uns also wieder entlang einer Isochore. Das würde zum Beispiel passieren, wenn man den Dampfdruckkochtopf vom Herd nimmt und in den Kühlschrank stellt.
(4) Schließlich gehen wir unter weiterem Kühlen auf einer Isobare zum Ausgangspunkt zurück. Der Kreisprozess ist abgeschlossen.

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 6Q=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 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ausgedrückt, was der grün unterlegten Fläche in 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 AU eines Systems gleich der Summe aus seiner Gesamtwärme und seiner geleisteten Arbeit ist, also

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nun ist aber in einem Kreisprozess AU=0, da Anfangs- und Endzustand gleich sind, und somit gilt [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Weiterhin ist es in der Thermodynamik 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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Der Wirkungsgrad h 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:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit der sogenannten Wärmekapazität c und der Temperatur T lässt sich eine Wärme auch durch Q = c • T ausdrücken. Damit lässt sich nun schreiben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Je größer wir also den Unterschied der Temperaturen realisieren können, desto höher wird der Wirkungsgrad. Die Bauteile bzw. das Material unserer Maschine sollten also über einen möglichst weiten Temperaturbereich stabil sein

2. Die Vorgeschichte

2.1 Die Vorläufer von 120 v. Chr. – 1705

Bevor Newcomen und Watt die ersten Dampfmaschinen bauten, gab es bereits eine Reihe von Vorläufern, von denen hier die drei wichtigsten erwähnt seien:

- Heron von Alexandrien (120 v. Chr.): Er hat neben vielen anderen Geräten den nach ihm benannten Heronsball als kleines Spielzeug konstruiert. Dieser Ball wurde mit Dampf gespeist und hatte zwei Düsen, durch die der Dampf austreten kann, so dass er sich nach dem Prinzip des Rasensprengers drehte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Der Heronsball (Quelle: www.wikipedia.de)

- Denis Papin (1690): Der Franzose Papin entwickelte zunächst den Prototyp des auch heute noch gebräuchlichen Dampfdruckkochtopfs.

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