Die Möglichkeit, verschiedene Energieformen in mechanische und elektrische Energie umzuwandeln, ist eine Grundlage unserer Zivilisation. Wind- und Wasserkraft haben wir bereits kennengelernt. Mittels Turbinen und Generatoren stellen sie elektrische Energie bereit. Früher trieben sie – wie das Mühlrad am Bach – Maschinen direkt an. Wärmekraftmaschinen wandeln Wärme in Arbeit um. Sie umfassen von der bereits historischen Kolbendampfmaschine bis zum Flugzeugtriebwerk eine Vielzahl von Maschinen. Sie nutzen die Kräfte, die bei der Erwärmung von Gasen auftreten. Im Allgemeinen soll kontinuierlich Arbeit verrichtet werden. Dafür muss die Maschine periodisch arbeiten und immer wieder dieselben thermodynamischen Zustände durchlaufen. Dabei wird Energie einem Speicher entnommen und teilweise als Arbeit genutzt, der andere Teil wird bei niedrigerer Temperatur als Abwärme an die Umgebung abgegeben. Damit stellt sich die Frage, wie viel aufgewendete Energie tatsächlich genutzt wird, welchen Wirkungsgrad die Maschine erreichen kann und wie man ihn verbessern kann. Die Umkehrung der Wärmekraftmaschine ist die Wärmepumpe, die als Kühl- oder Gefrierschrank unverzichtbar geworden ist. Lebensmittel vor dem Verderb zu schützen war bis ins 20. Jahrhundert ein großes Problem. Dank der Kühlgeräte können heute Lebensmittel und Medikamente bei Temperaturen aufbewahrt werden, bei denen Bakterien und Schimmelpilze sich nur langsam oder überhaupt nicht vermehren. Mit Arbeitsaufwand wird Wärme vom kälteren Körper zur wärmeren Umgebung transportiert. Wärmepumpen dienen auch zur Heizung von Gebäuden, indem sie z. B. der Außenluft Energie entziehen und damit die Innenluft erwärmen. Wärmekraftwerke liefern elektrische Energie aus fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl, Erdgas), nuklearen Brennstoffen (Uran), erneuerbaren Energieträgern (Wind- und Sonnenenergie, Biomasse, Erdwärme) und nicht-wiederverwertbarem „Restmüll“. Unser gewohnter Lebensstandard hängt von leicht verfügbarer und kostengünstiger elektrischer Energie ab. Die Erdbevölkerung wächst schnell und immer mehr Menschen wünschen sich zu Recht bessere Lebensbedingungen, das heißt einen besseren Zugang zu erschwinglicher Energie. Dies bringt zwei Probleme mit sich: Wie groß sind die Vorkommen an fossilen Brennstoffen, wie lange reichen sie? Darf die Menschheit innerhalb weniger Jahrzehnte jene fossilen Reserven verbrauchen, deren Bildung in der Natur Jahrmillionen gedauert hat und die den wichtigsten Rohstoff der chemischen Industrie bilden? Das zweite Problem ist erst seit 1980 ins Bewusstsein gerückt: Die Verbrennung der fossilen Energieträger erhöht den Anteil des Treibhausgases CO2 in der Atmosphäre und trägt zur globalen Klimaerwärmung mit unerwünschten Folgen bei. Ist der menschliche Organismus eine Wärmekraftmaschine? 138.1 Die Dampflokomotive „Austria“ war die erste Lokomotive in Österreich. Gebaut wurde sie in England. 1837 zog sie den Eröffnungszug der „Kaiser Ferdinands-Nordbahn“ von Wien bis Deutsch-Wagram. Bereits 1839 ging die Strecke bis Brünn (Tschechien). Die heute noch übliche Spurweite von 1 435 mm führte der englische Eisenbahnpionier George Stephenson (1781–1847) ein. 138.2 Bertha Benz und ihre beiden Söhne unternahmen 1888 mit dem „Benz Patent-Motorwagen Modell 3“ – 2,0 l-Einzylinder, 3 PS (2,2 kW), max. 20 km/h – die erste „Fernfahrt“ der Automobilgeschichte (106 km) zwischen Mannheim und Pforzheim (nachgestellte Szene). 138 Thermodynamik 5 Wärme- und Kältetechnik In diesem Kapitel erfährst du, – wieso Wärme nicht zu 100 % als Arbeit genutzt werden kann, – wie Verbrennungsmotoren funktionieren, – wie Dampfmaschinen immer leistungsfähiger wurden, – wie Kühlschrank und Wärmepumpe funktionieren, – welche erstaunliche Phänomene nahe am absoluten Nullpunkt auftreten. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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