Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

124.1 Die Heronskugel, ein antikes Gerät, demonstriert den Dampfdruck und das Rückstoßprinzip 124.2 Maschine von N EWCOMEN Dampf strömt ein Dampf strömt aus Schieber (Ventil) Kolben 124.3 Steuerung der doppelt wirkenden Dampfmaschine nach Watt: Je nach Schieber- stellung strömt Dampf von rechts bzw. links in den Zylinder Heronskugel: Von H ERON , einem berühmten Mathematiker und Techniker, der vermutlich im 1. Jh. n. Chr. im ägyptischen Alexandria lebte, sind einige Bücher als Abschriften und Übersetzungen erhalten. In Pneumatika, dem Buch über die Wirkungen von Luft, Wasser und Dampf, wird neben anderen Maschinen be- schrieben, wie Dampf aus einem geschlossenen heißen Wasserkessel durch Röhren in eine drehbare Kugel geführt wird und beim Ausströmen durch Düsen die Kugel in Drehung versetzt ( 124.1 ). Als Motor dürfte das Gerät noch nicht gedient haben – eher als Volksbelustigung, doch stellt es die erste Erwähnung des Rückstoßprinzips beim Ausströmen von Flüssigkeiten und Gasen dar. Newcomen und die erste Dampfmaschine : Als im frühen 18. Jh. in England im- mer mehr Bergbau (Kohle und Erze) betrieben wurde, stellte das eindringende Grundwasser in den Schächten ein großes Problem dar. Wie könnte man es ab- pumpen? Nach gescheiterten Versuchen seiner Vorgänger schuf T HOMAS N EWCOMEN (1664– 1729), ein Schmied und Eisenhändler, im Jahr 1712 die erste funktionierende Maschine. Er nutzte die Volumenverkleinerung von Wasserdampf beim Konden- sieren. 124.2 zeigt die Maschine. Ein beweglicher Kolben (D) verschließt einen Zylinder (B), die Kolbenbewegung wird durch einen Balken auf ein Ge- stänge übertragen, das im Schacht Wasser hebt. Der Zylinder ist über ein Ab- sperrventil (C) mit dem Dampfkessel (A) verbunden. Im ersten Schritt (Expan- sion) fließt bei geöffnetem Ventil Dampf in den Zylinder, das Gewicht des Gestänges und der geringe Dampfdruck heben den Kolben, der Zylinder füllt sich mit Wasserdampf. Im anschließenden Arbeitsschritt wird bei geschlosse- nem Ventil Wasser in den Zylinder gespritzt, der Dampf kondensiert und der Druck im Zylinder sinkt auf wenige mbar. Der Luftdruck drückt den Kolben in den Zylinder, über den drehbaren Balken wird die Bewegung auf die Pumpe im Schacht übertragen. Wegen ihrer einfachen Bauweise waren die Maschinen trotz ihrer geringen Effizienz sehr beliebt, selbst im 19. Jh. wurden sie noch ge- baut und genutzt, wenn Kohle leicht und billig verfügbar war. James Watt revolutioniert die Dampfmaschine: Der Schotte J AMES W ATT (1736– 1819) konnte wegen Armut weder studieren, noch eine Lehre abschließen. Zu seinem Glück brauchte man an der Universität Glasgow einen geschickten „Instrumentenbauer“. Als er ein Modell der Newcomen-Maschine reparieren sollte, erkannte er die großen Nachteile dieser Maschine: Durch Einspritzen von Wasser in den Zylinder kühlte dieser aus, der zugeführte Dampf diente großteils der Erwärmung des Zylinders. Seine Lösung: Er verband den Zylinder mittels Rohrleitung mit einem eigenen Gefäß, dem Kondensator, in dem der Dampf kondensierte und wo niedriger Druck herrschte. Den Zylinder schützte er durch ein „jacket“ vor Wärmeverlust. Später erfand Watt die doppelt wirkende Dampf- maschine mit einem geschlossenen Zylinder und die dazu nötige Ventilsteue- rung ( 124.3 ). Bei jeder Hin- und Herbewegung des Kolbens verrichtet nun der einströmende Dampf mit seinem Überdruck Arbeit, während der Kondensator weiterhin für Unterdruck sorgt. Dem Übergang zu hohen Dampfdrücken stand der sicherheitsbewusste Watt skeptisch gegenüber. Als es im 19. Jh. durch Fort- schritte in der Metallbearbeitung gelang, Dampfkessel für hohe Drücke zu bau- en, konnten die Dampfmaschinen kompakter werden und z. B. zum Antrieb von Lokomotiven dienen. Dampfturbinen: Der Schwede G USTAV DE L AVAL (1845–1913) und der Engländer C HARLES P ARSONS (1854–1931) erfanden in den 1880er Jahren die Dampfturbinen. Sie haben im Vergleich zur Kolbendampfmaschine zwei wesentliche Vorteile: − Statt der pulsierenden Kolbenbewegung rotiert die Turbine gleichmäßig. − Es gibt innerhalb der Turbine nur einen thermodynamischen Vorgang, die Druck- und Temperaturabnahme des Dampfes, so dass die Maschine in ther- modynamischer Hinsicht leichter optimiert werden kann. Daher hat die Dampfturbine die Kolbendampfmaschine ersetzt ( 124.4 ). Meilensteine der Entwicklung von Dampfmaschinen 124.4 Rotor einer Dampfturbine vor dem Einbau. Heißer Dampf wird mit hohem Druck in der Mitte auf die Turbinenschaufeln geleitet, strömt links und rechts und überträgt Bewe- gungsenergie auf die Turbinenschaufeln. 124 ENERGIE Nur zu P üfzwecken – Eigentum des Verlags öbv