39 24 Heiße Würstchen und kaltes Eis Obwohl Dampfmaschinen also nicht besonders effektiv waren, waren sie trotzdem für die Entwicklung der Industrie und des Verkehrs extrem wichtig. Ab etwa 1860 kamen dann aber Benzinmotoren auf. In B 24.15 siehst du die vier Takte eines solchen Motors, der in ähnlicher Form bereits im berühmten Auto von Carl Benz (B 24.1, S. 36) eingebaut war. 1. Takt, Ansaugen: Das linke Ventil ist offen. Der Kolben bewegt sich hinunter und saugt das kühle Luft-BenzinGemisch an. 2. Takt, Zusammendrücken: Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich hinauf und drückt dadurch das Luft-Benzin-Gemisch zusammen. 3. Takt, Arbeitstakt: Das ist der einzige Takt, bei dem der Motor Energie abgibt. Die Zündkerze erzeugt einen Funken und das Gas verbrennt explosionsartig. Die Gasmoleküle prallen gegen den Kolben und drücken ihn nach unten. Dieser Takt entspricht B 24.12. Dort ist der Kolben allerdings gedreht dargestellt. 4. Takt, Auspuffen: Das rechte Ventil ist offen. Der Kolben bewegt sich hinauf und das verbrannte Luft-BenzinGemisch wird rausgedrückt. Dann geht es wieder mit dem 1. Takt von vorne los. Ein Dieselmotor funktioniert ähnlich, allerdings besitzt er keine Zündkerzen. Der Diesel-Kraftstoff wird in den Zylinder gespritzt und entzündet sich dabei selbst. In T 24.2 siehst du, dass beide Motorenarten gegenüber der Dampfmaschine einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Trotzdem sind sie aus heutiger Sicht problematisch, weil sie durch Freisetzung von CO2 sehr zur Klimaänderung beitragen (Kap. 27.5, S. 72). B 24.15 Die vier Takte eines Benzinmotors Jedes Joule, das auf den Kolben übertragen wird, fehlt im Gas, weil die Gesamtenergie immer erhalten bleibt (Kap. 21.5, S. 14). Deshalb muss sich das Gas bei der Ausdehnung im Zylinder immer abkühlen (B 24.12). Dass sich Gase bei Ausdehnung immer abkühlen, kannst du gut bei der CO2-Patrone spüren. Wenn du sie nach dem Abflug angreifst, wirst du merken, dass sie saukalt geworden ist ( A 7 ). Warum? B 24.14 a) Die Gesamtenergie steckt nur in der Wärmeenergie; b) Die Gesamtenergie steckt in Wärme- und Bewegungsenergie. Deshalb muss die Wärmeenergie abnehmen. Bevor die Membran durchstochen wird, bewegt sich die Patrone nicht (B 24.14 a). Die Joule stecken nur in der Wärmeenergie des Gases, also in der ungeordneten Bewegungsenergie. Wenn die Patrone wegflitzt (b), gibt es auf einmal auch Bewegungsenergie. Weil die Gesamtenergie erhalten bleibt, muss daher die Temperatur des Gases abgenommen haben. Der englische Erfinder Thomas Newcomen konstruierte bereits 1712 die erste Dampfmaschine. Sie konnte aber nur 0,5 % der Wärmeenergie in Bewegung des Kolbens umwandeln (T 24.2). Die ersten Dampfmaschinen waren also Heizungen mit ein bisschen Bewegung. James Watt, nach dem die Einheit der Leistung benannt ist (Kap. 21.5, S. 14), verbesserte die Dampfmaschine rund 50 Jahre später. So konnte man immerhin 3 % der Wärme in Bewegung umwandeln. Das ist zwar schon besser, aber immer noch ziemlich lausig. Das bedeutet aber umgekehrt, dass immer noch 97 % der Wärmeenergie einfach ungenutzt in der Umgebung verpufften. Wärmemotor Art des Gases/ Temperatur Wirkungsgrad Dampfmaschine von Thomas Newcomen Wasserdampf/100 °C 0,5 % Dampfmaschine von James Watt Wasserdampf/100 °C 3 % Benzinmotor nach Nikolaus A. Otto Benzin-Luft-Gemisch/ bis 600 °C ca. 25 % Dieselmotor nach Rudolf Diesel Diesel-Luft-Gemisch/ bis 900 °C ca. 35 % T 24.2 Wärmemotoren im Vergleich: Der Wirkungsgrad (Kap. 21.5, S 15) gibt an, wie viel Prozent der Wärmeenergie des Gases in Bewegungsenergie des Kolbens umgewandelt werden können. Kurz zusammengefasst Wärmemotoren können Wärmeenergie teilweise wieder in Bewegungsenergie zurückverwandeln. Sie brauchen dazu ein heißes Gas, einen Zylinder und einen Kolben. Wegen der Freisetzung von CO2 sind sie aus heutiger Sicht problematisch. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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