Modell- Dampf-Kraftwerk mit Kondensator - plappert-freiburg.de
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Versuchsanleitung<br />
<strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerk <strong>mit</strong> Gasantrieb [170721]<br />
nach Dieter Plappert<br />
1. Didaktische Vorbemerkungen<br />
1<br />
Es rattert, zischt und pfeift... unser <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerk ist wie<strong>de</strong>r einmal im Einsatz. Die Schülerinnen<br />
und Schüler sind begeistert. Das <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerk enthält alle wesentlichen Elemente eines richtigen<br />
thermischen <strong>Kraftwerk</strong>s: Kessel, <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> und Speisewasserpumpe. Nur statt <strong>mit</strong> einer Turbine wird die<br />
Energie durch einen Kolben im Zylin<strong>de</strong>r vom <strong>Dampf</strong> abgela<strong>de</strong>n - ein komplettes thermisches <strong>Kraftwerk</strong> auf<br />
einem einzigen Tisch. Die <strong>mit</strong> diesem <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerk durchgeführten Versuche sind<br />
beeindruckend, sie bleiben in guter Erinnerung. Dasselbe gilt für die Unterrichtsinhalte, die in diesem<br />
Zusammenhang behan<strong>de</strong>lte wer<strong>de</strong>n, wie etwa<br />
• die Funktionsweise einer <strong>Dampf</strong>maschine<br />
• die Einführung <strong>de</strong>s Energiebegriffs<br />
• historische Betrachtungen zu <strong>de</strong>n Themen: Entwicklung von thermischen Kraftmaschinen, industrielle<br />
Revolution<br />
• die Funktion von thermischen <strong>Kraftwerk</strong>en, wie Kohle-, Gas-, Solar- und Kernkraftwerken<br />
• <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb und Abwärmeproblematik<br />
• Betrachtungen zum 2. Hauptsatz <strong>de</strong>r Thermodynamik<br />
• die Einführung <strong>de</strong>s Entropiebegriffs<br />
• <strong>de</strong>r Wirkungsgrad und seine Messung .<br />
Schema eines Kohlekraftwerks <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>kraftwerk <strong>mit</strong> <strong>de</strong>nselben Komponenten<br />
2. Vorteile <strong>de</strong>s gasbetriebenen <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerks<br />
Statt <strong>mit</strong> einem Trockenbrennstoff wird die <strong>Dampf</strong>maschine <strong>mit</strong> Gas betrieben. Dazu wird <strong>de</strong>r Esbitbrenner<br />
durch einen Gas-Keramikbrenner ersetzt.<br />
Der Gasbetrieb hat verschie<strong>de</strong>ne Vorteile:<br />
• durch das Gasventil kann die Brennstoffzufuhr sehr genau dosiert wer<strong>de</strong>n,<br />
• beim Löschen <strong>de</strong>r Gasflamme entsteht keine Geruchsbelästigung,<br />
• die <strong>de</strong>m <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerk zugeführte Energiemenge kann durch das Er<strong>mit</strong>teln <strong>de</strong>r zugeführten<br />
Gasmenge (wiegen) recht genau bestimmt wer<strong>de</strong>n.<br />
An die vorhan<strong>de</strong>ne Speisewasserzuleitung kann an einer Olive ein 8 mm - Silikonschlauch angeschlossen<br />
wer<strong>de</strong>n, durch <strong>de</strong>n <strong>mit</strong> <strong>de</strong>r Speisewasserpumpe Wasser aus einem Behälter (z.B. Becherglas) in <strong>de</strong>n Kessel<br />
gepumpt wer<strong>de</strong>n kann. An <strong>de</strong>r zweiten Olive en<strong>de</strong>t die Abdampfleitung. An diese bei<strong>de</strong>n Rohrstutzen kann<br />
die Aluminiumwen<strong>de</strong>l angeschlossen und in einen Kühlwasserbehälter (Becherglas) getaucht wer<strong>de</strong>n, so<br />
dass wie bei allen thermischen <strong>Kraftwerk</strong>en ein geschlossener <strong>Dampf</strong>-Wasser-Kreislauf entsteht.
3. Der Betrieb <strong>de</strong>s <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerks im „Auspuffbetrieb“<br />
2<br />
Vor <strong>de</strong>m ersten Entzün<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Gasflamme wird <strong>de</strong>r Kessel vor <strong>de</strong>n Augen <strong>de</strong>r Schüler <strong>mit</strong> Wasser gefüllt.<br />
An die Speisewasserzuleitung wird ein 8 mm-Silikonschlauch angeschlossen, durch <strong>de</strong>n <strong>mit</strong> Hilfe <strong>de</strong>r<br />
Speisewasserpumpe Wasser aus einem Behälter (z.B. Becherglas) in <strong>de</strong>n Kessel gepumpt wird.<br />
(Selbstverständlich kann über <strong>de</strong>n Füllstutzen auf <strong>de</strong>m Kessel vorher schon eine Grundmenge Wasser<br />
eingegeben wer<strong>de</strong>n.)<br />
Es muss dabei so viel Wasser zugeführt wer<strong>de</strong>n, dass die Maschine nie <strong>mit</strong> leerem Kessel betrieben<br />
wird; die Lötstellen <strong>de</strong>s Kessels wären augenblicklich zerstört! Das wird i.d.R. erreicht, wenn im<br />
Kesselschauglas <strong>de</strong>r Wasserspiegel sichtbar ist. Unter <strong>de</strong>n Abdampfausgang wird die beigefügte Schale<br />
gestellt, um <strong>de</strong>n kon<strong>de</strong>nsierten Abdampf aufzufangen. Nach<strong>de</strong>m die Gasflamme entzün<strong>de</strong>t ist, beginnt sich<br />
beim Erwärmen die im Kessel vorhan<strong>de</strong>ne Luft auszu<strong>de</strong>hnen; das Manometer zeigt einen Druckanstieg an.<br />
Erst wenn das Wasser sie<strong>de</strong>t, beginnt sich die <strong>Dampf</strong>maschine gleichmäßig zu drehen. Nun kann <strong>mit</strong> Hilfe<br />
eines „Riemens“ eine Maschine, z.B. ein „Hammerwerk“ o<strong>de</strong>r ein „Generator“ angeschlossen wer<strong>de</strong>n. Mit<br />
dieser Anordnung kann die Funktionsweise und <strong>de</strong>r Nutzen einer <strong>Dampf</strong>maschine erläutert wer<strong>de</strong>n, <strong>de</strong>r<br />
Energiebegriff eingeführt wer<strong>de</strong>n (siehe 5), <strong>de</strong>r Wirkungsgrad er<strong>mit</strong>telt wer<strong>de</strong>n (siehe 7),...<br />
4. Der Betrieb <strong>de</strong>s <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerks im „<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb“ <strong>mit</strong> geschlossenem<br />
Wasserkreislauf<br />
4.1. Versuchsaufbau:<br />
• Der Kessel <strong>de</strong>r Maschine wird <strong>mit</strong> Wasser gefüllt (vgl. 3).<br />
• Die Maschine wird zunächst im Auspuffbetrieb betrieben (vgl. 3).<br />
• Wenn sich das Schwungrad <strong>de</strong>r Maschine kräftig dreht, wird <strong>de</strong>r<br />
Abdampf durch einen <strong>de</strong>r Silikonschläuche durch <strong>de</strong>n <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong><br />
geleitet. Das zunächst offene En<strong>de</strong> <strong>de</strong>s 2. Anschlussschlauches<br />
mün<strong>de</strong>t in die Auffangschale, um <strong>de</strong>n kon<strong>de</strong>nsierten Abdampf<br />
aufzufangen. Der Abdampf erwärmt <strong>de</strong>n <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> und treibt in<br />
dieser Phase die Luft aus <strong>de</strong>m <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> heraus. Dieser<br />
Prozess sollte so lange fortgesetzt wer<strong>de</strong>n, bis <strong>de</strong>r<br />
<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> heiß ist und <strong>de</strong>utlich sichtbarer „Wasserdampf“<br />
aus <strong>de</strong>m 2. Anschlussschlauch herauskommt.<br />
• Die Gaszufuhr wird nun so gedrosselt wer<strong>de</strong>n, dass sich das<br />
Schwungrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine gera<strong>de</strong> noch dreht und das am<br />
Generator angeschlossene Lämpchen gera<strong>de</strong> noch leuchtet.<br />
• Dann wird <strong>de</strong>r 2. Anschlussschlauch <strong>mit</strong> <strong>de</strong>m Stutzen <strong>de</strong>r<br />
Speisewasserpumpe verbun<strong>de</strong>n, so dass ein geschlossener<br />
„Wasser-<strong>Dampf</strong>-Kreislauf“ entsteht.<br />
Der 2. Anschluss wird erst <strong>mit</strong> <strong>de</strong>r<br />
Pumpe verbun<strong>de</strong>n, wenn „weißer<br />
<strong>Dampf</strong>“ aus <strong>de</strong>m Schlauch strömt!
3<br />
• Nun wir <strong>de</strong>r Aluminiumkühler in ein vorbereitetes Becherglas <strong>mit</strong> kaltem Wasser getaucht. Dazu<br />
können die Silikonschläuche in die Hand genommen wer<strong>de</strong>n.<br />
• Nach kurzer Zeit kann <strong>de</strong>r Kühler wie<strong>de</strong>r aus <strong>de</strong>m Kühlwasser genommen wer<strong>de</strong>n um Verän<strong>de</strong>rungen<br />
im Lauf <strong>de</strong>s <strong>Dampf</strong>kraftwerks beobachten zu können.<br />
• Nach einiger Zeit kann <strong>mit</strong> <strong>de</strong>r Speisewasserpumpe das kon<strong>de</strong>nsierte Wasser in <strong>de</strong>n Kessel<br />
zurückgepumpt wer<strong>de</strong>n. Wir haben wie bei allen gängigen thermischen <strong>Kraftwerk</strong>en einen<br />
geschlossenen Wasserkreislauf.<br />
4.2. Beobachtungen<br />
Bei <strong>de</strong>r Durchführung dieses Versuchs kann das Folgen<strong>de</strong><br />
beobachtet wer<strong>de</strong>n:<br />
1. Fließt Kühlwasser durch <strong>de</strong>n <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>, dreht sich<br />
das Schwungrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine schneller, die<br />
Lampe leuchtet heller.<br />
2. Im Kühler beginnt Wasser zu kon<strong>de</strong>nsieren; <strong>de</strong>r Kühler<br />
heißt aus diesem Grund „<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>“.<br />
3. Die zusammengedrückten Anschlussschläuche <strong>de</strong>s<br />
<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>s zeigen an, dass im <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> ein<br />
erheblicher Unterdruck entsteht. Dieser kann durch ein<br />
zusätzlich eingebautes T-Stück <strong>mit</strong> angeschlossenem<br />
Manometer gemessen wer<strong>de</strong>n. (s. Abb.)<br />
4. Wird <strong>de</strong>r Kühler aus <strong>de</strong>m „Kühlwasserbehälter“<br />
herausgenommen, verlangsamt sich <strong>de</strong>r Lauf <strong>de</strong>s<br />
Schwungrads, die Lampe leuchtet schwächer, <strong>de</strong>r<br />
Druck steigt; wird <strong>de</strong>r Kühler wie<strong>de</strong>r in das Kühlwasser<br />
getaucht, wie<strong>de</strong>rholt sich <strong>de</strong>r Effekt.*<br />
5. Wird <strong>de</strong>r Kühler in sie<strong>de</strong>n<strong>de</strong>s „Kühlwasser“ gehalten,<br />
ist die „Kühlwirkung“ viel geringer, das Schwungrad<br />
bewegt sich nur unmerklich schneller.<br />
* Nach einiger Zeit nimmt <strong>de</strong>r Kühleffekt ab, was auf Undichtigkeiten <strong>de</strong>r<br />
Versuchsanordnung zurückzuführen ist. Wird <strong>de</strong>r Anschlussschlauch an<br />
<strong>de</strong>r Speisewasserpumpe entfernt und die inzwischen eingedrungene Luft<br />
wie<strong>de</strong>r „herausgeblasen“, kann <strong>de</strong>r Kühleffekt von Neuem <strong>de</strong>monstriert<br />
wer<strong>de</strong>n, nach<strong>de</strong>m <strong>de</strong>r Schlauch wie<strong>de</strong>r an <strong>de</strong>r Speisewasserpumpe<br />
angeschlossen wur<strong>de</strong>.<br />
4.3 Ergebnisse<br />
• Obwohl <strong>de</strong>m <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>-<strong>Dampf</strong>kraftwerk nicht mehr<br />
Brennstoff d.h. Energie zugeführt wur<strong>de</strong>, liefert es<br />
„mehr Energie ab“, wird mehr Energie nutzbar. Im<br />
<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb wird also die Energie <strong>de</strong>s Brennstoffs<br />
besser genutzt.<br />
• Durch das Kühlen <strong>de</strong>s <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>s steigt die<br />
Temperatur <strong>de</strong>s „Kühlwassers“ im Becherglas, „Abwärme“<br />
wird abgeführt.<br />
• Das Verhältnis von <strong>de</strong>r in einem Gerät genutzten Energie<br />
zu <strong>de</strong>r in das Gerät hineinströmen<strong>de</strong>n Energie wird<br />
„Wirkungsgrad“ <strong>de</strong>s Geräts genannt. Der Wirkungsgrad<br />
unseres <strong>Dampf</strong>kraftwerks wur<strong>de</strong> also erheblich größer,<br />
in<strong>de</strong>m wir die Temperatur <strong>de</strong>s „Wärmeausgangs“<br />
verringert haben. Experimentelle Untersuchungen und<br />
theoretische Überlegungen haben gezeigt, dass <strong>de</strong>r<br />
Wirkungsgrad je<strong>de</strong>s „thermischen <strong>Kraftwerk</strong>s“ umso<br />
größer ist, je größer die Temperaturdifferenz zwischen<br />
„Wärmeeingang“ und „Wärmeausgang“ <strong>de</strong>r ist.<br />
4.4. Messung <strong>de</strong>r Temperaturen <strong>de</strong>s <strong>Dampf</strong>es am Ein- und<br />
Ausgang <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine<br />
Ein Thermofühler kann wie abgebil<strong>de</strong>t an <strong>de</strong>r<br />
Öleinlassschraube angebracht wer<strong>de</strong>n. Ein zweiter<br />
Thermofühler kann direkt hinter <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine in die<br />
Abdampfleitung <strong>mit</strong> <strong>de</strong>m beigefügten T-Stück eingebaut<br />
wer<strong>de</strong>n. Auf diese Weise kann quantitativ gezeigt wer<strong>de</strong>n,<br />
dass <strong>de</strong>r Abdampf im <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb eine tiefere<br />
Temperatur hat, dass die Temperaturdifferenz im zwischen<br />
<strong>Dampf</strong>ein- und <strong>Dampf</strong>ausgang im <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb größer<br />
wird. Es wird auf diese Weise <strong>de</strong>utlich, dass <strong>de</strong>r Wirkungsgrad<br />
Zusammengedrückte Anschlussschläuche<br />
beim <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb<br />
Druckmessung<br />
Temperaturmessung an Ein- und<br />
Ausgang <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine<br />
Mit einem Metallbohrer können die beigefügten<br />
Gummistopfen <strong>de</strong>m Temperaturfühler<br />
entsprechend durchbohrt wer<strong>de</strong>n.
4<br />
<strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine von dieser Temperaturdifferenz abhängt, dass die Temperaturdifferenz <strong>de</strong>s <strong>Dampf</strong>es<br />
anzeigt, wie viel Energie die <strong>Dampf</strong>maschine vom Wasserdampf „abgela<strong>de</strong>n“ zur weiteren Nutzung hat.<br />
5. Einige Bemerkungen zur Physik thermischer <strong>Kraftwerk</strong>e<br />
Hier seien einige grundlegen<strong>de</strong> Bemerkungen zur Physik thermischer <strong>Kraftwerk</strong>e angefügt. Diese<br />
Grundlagen wer<strong>de</strong>n in [1 und 2] vertieft. Dort wer<strong>de</strong>n außer<strong>de</strong>m konkrete Unterrichtsgänge vorgeschlagen,<br />
wie z.B. ausgehend von <strong>de</strong>r Untersuchung thermischer <strong>Kraftwerk</strong>e die Schüler im Physik- o<strong>de</strong>r<br />
Technikunterricht angeregt wer<strong>de</strong>n können, sich einen anschaulichen Entropiebegriff zu bil<strong>de</strong>n.<br />
Im Prinzip sind alle thermischen <strong>Kraftwerk</strong>e gleich aufgebaut: in einem Kessel wird Wasser verdampft, <strong>de</strong>r<br />
<strong>Dampf</strong> treibt Turbinen an und wird im <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> kon<strong>de</strong>nsiert; das dabei entstehen<strong>de</strong> Wasser wird durch<br />
eine Speisewasserpumpe in <strong>de</strong>n Kessel zurücktransportiert.<br />
Nur ein Teil <strong>de</strong>r zugeführten Energie kann von <strong>de</strong>r Turbine vom <strong>Dampf</strong> abgela<strong>de</strong>n wer<strong>de</strong>n. Das Verhältnis<br />
von genutzter zu zugeführter Energie wird üblicherweise <strong>de</strong>r Wirkungsgrad genannt. Der Wirkungsgrad von<br />
Kohlekraftwerk beträgt etwa 40 %, <strong>de</strong>r eines Kernkraftwerks etwa 30 %. Die Überlegungen <strong>de</strong>s Physikers<br />
Sadi Carnot führten zu <strong>de</strong>r Überzeugung, dass <strong>de</strong>r Wirkungsgrad nicht wie die damaligen Ingenieure<br />
vermutet hatten von <strong>de</strong>n Druckdifferenzen zwischen Eingang und Ausgang <strong>de</strong>r Turbine, son<strong>de</strong>rn<br />
ausschließlich von <strong>de</strong>r Temperaturdifferenz zwischen Turbinen-Eingang und -Ausgang abhängig ist.<br />
Wozu braucht ein thermisches <strong>Kraftwerk</strong> einen Kühlturm?<br />
Energiebetrachtung:<br />
Im Kessel wird beim Verbrennen die<br />
Energie <strong>de</strong>r Brennstoffe zum Erhitzen<br />
und Verdampfen <strong>de</strong>s Wassers<br />
verwen<strong>de</strong>t. Ein Teil dieser Energie<br />
(Kernkraftwerk 30 %, Kohlekraftwerk<br />
40%) wird in <strong>de</strong>r Turbine vom <strong>Dampf</strong><br />
„abgela<strong>de</strong>n“, zum Generator geleitet und<br />
dort anschließend <strong>mit</strong> <strong>de</strong>m elektrischen<br />
Strom weitertransportiert. Ein Großteil<br />
<strong>de</strong>r Energie verlässt <strong>mit</strong> <strong>de</strong>m Kühlwasser<br />
<strong>de</strong>s <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>s das <strong>Kraftwerk</strong><br />
ungenutzt 1 . Carnot hat theoretisch<br />
gezeigt, dass das Verhältnis von<br />
nutzbarer zu eingesetzter Energie umso<br />
größer ist, je größer die Differenz <strong>de</strong>r<br />
Kessel<br />
zum Generator<br />
Temperatur <strong>de</strong>s <strong>Dampf</strong>es TE, <strong>de</strong>r in die Turbine eintritt und <strong>de</strong>r Temperatur <strong>de</strong>s <strong>Dampf</strong>es TK, <strong>mit</strong> <strong>de</strong>r er im<br />
<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> kon<strong>de</strong>nsiert, ist. Alle praktischen Versuche, <strong>de</strong>n Wirkungsgrad durch die Wahl von geeigneten<br />
Stoffen zu verbessern, die bei gleicher Temperaturdifferenz größere Druckdifferenzen erzeugen, waren<br />
zuvor gescheitert.<br />
TE<br />
TK<br />
Turbine<br />
<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong><br />
1 Dass ein Teil <strong>de</strong>r bei <strong>de</strong>r Verbrennung umgesetzten Energie <strong>mit</strong> <strong>de</strong>n erwärmten Abgasen das <strong>Kraftwerk</strong> verlässt (5 -<br />
10 %), sei bei <strong>de</strong>n nachfolgen<strong>de</strong>n Betrachtungen vernachlässigt.
5<br />
Betrachtung nach Carnot:<br />
Die Energie strömt <strong>mit</strong> einem „Wärmestoff“ zusammen durch die Turbine. Je größer die Temperaturdifferenz<br />
∆T = TE - TK ist, <strong>de</strong>sto mehr Energie lädt die Turbine von <strong>de</strong>m „Wärmestoff“ ab. Carnot vergleicht die<br />
<strong>Dampf</strong>maschine <strong>mit</strong> einem Wasserrad: je größer die Höhendifferenz ∆h = h2 - h1 zwischen Ein- und<br />
Ausgang ist, <strong>de</strong>sto mehr Energie kann ein Wasserrad vom strömen<strong>de</strong>m Wasser abla<strong>de</strong>n<br />
Wie das Wasser am Ausgang wie<strong>de</strong>r aus <strong>de</strong>m Wasserkraftwerk herausströmen muss, so muss <strong>de</strong>r<br />
Wärmestoff aus <strong>de</strong>m thermischen <strong>Kraftwerk</strong> wie<strong>de</strong>r herausfließen. Deshalb benötigen thermische<br />
<strong>Kraftwerk</strong>e Kühlausgänge. Dieser heraussfließen<strong>de</strong> „Wärmestoff“ trägt Energie ungenutzte aus <strong>de</strong>m<br />
Kühlausgang <strong>de</strong>s <strong>Kraftwerk</strong>s heraus. Vollständig verstehen kann man <strong>de</strong>n ganzen Sachverhalt erst, wenn<br />
man sieht, dass <strong>de</strong>r von Carnot postulierte Wärmestoff im Prinzip ein bildliche Veranschaulichung <strong>de</strong>r<br />
thermodynamischen Größe „Entropie“ ist, die bei <strong>de</strong>r Verbrennung erzeugt wird und wegen <strong>de</strong>s 2.<br />
Hauptsatzes Thermodynamik nicht wie<strong>de</strong>r vernichtet wer<strong>de</strong>n kann, son<strong>de</strong>rn durch <strong>de</strong>n Kühlausgang das<br />
<strong>Kraftwerk</strong> verlassen muss.<br />
h2<br />
h1<br />
Im<br />
P = ∆h ⋅ g ⋅ Im<br />
Ein Wasserstrom Im strömt hindurch. Je größer<br />
die Höhendifferenz ∆h = h2 - h1 ist <strong>de</strong>sto, mehr<br />
Energie kann das Wasserrad vom Wasser abla<strong>de</strong>n.<br />
T2<br />
thermisches<br />
<strong>Kraftwerk</strong><br />
T1<br />
IS<br />
P = ∆T ⋅ IS<br />
Ein Entropiestrom IS strömt hindurch. Je größer<br />
die Temperaturdifferenz ∆T = TE - TK ist, <strong>de</strong>sto<br />
mehr Energie kann die Turbine von <strong>de</strong>r Entropie<br />
abla<strong>de</strong>n.<br />
5. Eine mögliche Einführung <strong>de</strong>r physikalischen Größe Energie im Physikunterricht<br />
Da die Energie eine alle Gebiete umfassen<strong>de</strong> Größe ist, sollte sie nicht eingeengt in einem Gebiet, son<strong>de</strong>rn<br />
allgemeiner eingeführt wer<strong>de</strong>n. Es sei hierfür in aller Kürze ein möglicher Weg beschrieben:<br />
Ein „Hammerwerk“, das für eine Fabrik steht, soll angetrieben wer<strong>de</strong>n. In unserem Versuchsaufbau wird es<br />
von einem Motor, <strong>de</strong>r Motor von<br />
einem Dynamo, <strong>de</strong>r Dynamo von<br />
einer <strong>Dampf</strong>maschine und die<br />
<strong>Dampf</strong>maschine von einem<br />
Gasbrenner angetrieben. Das<br />
Hammerwerk braucht „etwas“,<br />
was es antreibt. Dieses „etwas“<br />
bekommt das Hammerwerk vom<br />
Motor, dieser vom Dynamo,<br />
dieser von <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine<br />
und diese vom Gasbrenner.<br />
Wird das Hammerwerk im<br />
Versuch abgebremst, so wird<br />
auch die Bewegung <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine verlangsamt. Um die ursprüngliche Drehgeschwindigkeit wie<strong>de</strong>r zu<br />
erhalten, muss <strong>de</strong>r Gasbrenner stärker „aufgedreht“ wer<strong>de</strong>n; das abgebremste Hammerwerk braucht mehr<br />
von <strong>de</strong>m „etwas“, <strong>de</strong>r Gasbrenner muss stärker aufgedreht wer<strong>de</strong>n, da<strong>mit</strong> er mehr von <strong>de</strong>m „etwas“ liefern<br />
kann.<br />
Dieses „etwas“, was hier übertragen wird, nannte man früher „Kraft“, was heute noch an „<strong>Kraftwerk</strong>“ und<br />
„Kraftfahrzeug“ zu erkennen ist; heute wird dieses „etwas“ Energie genannt.<br />
Alle Erfahrungen <strong>de</strong>r Physiker haben gezeigt, daß Energie nicht aus <strong>de</strong>m Nichts erschaffen wer<strong>de</strong>n o<strong>de</strong>r<br />
sich nicht in Nichts auflösen kann, son<strong>de</strong>rn daß die Energie immer irgendwo herkommt und immer irgendwo<br />
hingeht.<br />
Betrachten wir <strong>de</strong>n oben beschriebenen Versuch, so stellen wir fest: Energie wird immer von einer Stelle zu
6<br />
einer an<strong>de</strong>ren von einem „Energieträger“ transportiert (hier: ... Propangas-Sauerstoff, Brenner-<br />
Flamme, Wasser-<strong>Dampf</strong>, Kolben, Pleuelstange, Kurbelwelle <strong>mit</strong> Schwungrad, Treibriemen, Elektrizität;<br />
Treibriemen... )<br />
In Gasbrenner, <strong>Dampf</strong>maschine, Generator, Motor und Hammerwerk wechselt die Energie ihren Träger, wir<br />
können sie Energie-Umla<strong>de</strong>-Stationen o<strong>de</strong>r kurz „Energieumla<strong>de</strong>r“ nennen.<br />
Eine ausführliche Darstellung zur Einführung <strong>de</strong>s Energiebegriffs ist in [3] zu fin<strong>de</strong>n.<br />
6. Einige Betrachtungen zur Entwicklungsgeschichte thermischer Energieumla<strong>de</strong>r<br />
6.1. Die Entwicklung <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine<br />
Durch das Verdampfen und anschließen<strong>de</strong> Kon<strong>de</strong>nsieren von Wasserdampf können sehr große Kräfte zur<br />
Wirkung kommen. Diese Kraftwirkung wur<strong>de</strong> in <strong>de</strong>n ersten „atmosphärischen <strong>Dampf</strong>maschinen“ ausgenutzt.<br />
Die Abbildung zeigt ein erstes <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong> von Thomas Newcomen (1663-1729), <strong>de</strong>m Erfin<strong>de</strong>r <strong>de</strong>r<br />
<strong>Dampf</strong>maschine.<br />
Die erste <strong>Dampf</strong>maschine<br />
A. Th. Newcomens atmosphärische <strong>Dampf</strong>maschine arbeitete folgen<strong>de</strong>rmaßen: (1) <strong>Dampf</strong> strömte durch<br />
das Ventil (b) in <strong>de</strong>n Zylin<strong>de</strong>r (a); <strong>de</strong>r Kolben (c) wird durch die <strong>Dampf</strong>kraft (die nicht beson<strong>de</strong>rs groß war)<br />
nach oben gedrückt, so dass <strong>de</strong>r Kolben größtenteils durch das Gewicht <strong>de</strong>r Pumpenstange (d) nach oben<br />
bewegt wur<strong>de</strong>. Der Kolbenhub begann, wenn das Ventil (b) geschlossen wur<strong>de</strong>. (2) In diesem Augenblick<br />
wur<strong>de</strong> das an<strong>de</strong>re Ventil (e) geöffnet und kaltes Wasser in <strong>de</strong>n Zylin<strong>de</strong>rraum gesprüht, so daß <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong><br />
kon<strong>de</strong>nsieren konnte. Der äußere Luftdruck bewegte nun <strong>de</strong>n Kolben nach unten. Wenn <strong>de</strong>r Kolben gut an<br />
die Zylin<strong>de</strong>rwand anschloß, war <strong>de</strong>r Zylin<strong>de</strong>rteil, in <strong>de</strong>m <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong> kon<strong>de</strong>nsierte, fast luftleer. Eine<br />
Schwierigkeit gab es bei dieser Maschine, nämlich die Rauheit <strong>de</strong>r Innenwand <strong>de</strong>s Zylin<strong>de</strong>rs. Dieser war<br />
gegossen, da es keine Maschinen gab, ihn zu bearbeiten. Der Kolben wur<strong>de</strong> daher so gut wie möglich <strong>mit</strong><br />
Le<strong>de</strong>r- o<strong>de</strong>r Seildichtungen abgedichtet. Um die Dichtwirkung zu verbessern wur<strong>de</strong> Wasser als<br />
Dichtungs<strong>mit</strong>tel verwen<strong>de</strong>t. Man ließ zu diesem Zweck auch Wasser aus <strong>de</strong>m Hahn (f) auf <strong>de</strong>n Kolben<br />
tröpfeln o<strong>de</strong>r sprühen. Bedingt durch diese unvollkommenen Mittel konnte bei je<strong>de</strong>m Kolbenhub nur die<br />
Hälfte <strong>de</strong>s theoretisch zur Verfügung stehen<strong>de</strong>n Energiepotentials genutzt wer<strong>de</strong>n.<br />
Da <strong>de</strong>r „Arbeitszylin<strong>de</strong>r“ von Takt zu Takt abwechselnd heiß und kalt sein mußte, war <strong>de</strong>r Wirkungsgrad<br />
dieser Maschine äußerst schlecht. James Watt (1736-1819) hatte die großartige I<strong>de</strong>e, heiß und kalt durch<br />
einen zusätzlichen <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> zu trennen (siehe Abb.10). Die Energienutzung <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine wur<strong>de</strong><br />
so wesentlich verbessert, dass <strong>de</strong>m „Siegeszug“ dieser Maschine in <strong>de</strong>r Zeit <strong>de</strong>r „industriellen Revolution“<br />
nichts mehr im Wege stand.<br />
B. J. Watts <strong>Dampf</strong>maschine <strong>mit</strong> einem <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>.<br />
Um <strong>de</strong>n Zylin<strong>de</strong>r (a) war ein Mantelrohr (b) angebracht, in das <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong> an <strong>de</strong>r Stelle (c) eingelassen<br />
wur<strong>de</strong>. Anschließend strömte er über einen Hahn in <strong>de</strong>n Zylin<strong>de</strong>rraum (a). Die Luft, die aus <strong>de</strong>m Zylin<strong>de</strong>r (a)<br />
verdrängt wur<strong>de</strong>, gelangte durch das Ventil (d) in <strong>de</strong>n <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> (e). Sobald <strong>de</strong>r Zylin<strong>de</strong>r (a) vollständig
7<br />
<strong>mit</strong> <strong>Dampf</strong> gefüllt war, wur<strong>de</strong> <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>hahn geschlossen und <strong>de</strong>r Kolben im Pumprohr (f) von<br />
Hand betätigt. Der <strong>Dampf</strong>, <strong>de</strong>r in <strong>de</strong>n Raum (e) strömte, kon<strong>de</strong>nsierte sofort, weil die Teile (e) und (f) <strong>mit</strong><br />
kaltem Wasser gekühlt wur<strong>de</strong>n; dadurch entstand ein Unterdruck, <strong>de</strong>r <strong>de</strong>n Kolben (g) nach oben bewegte.<br />
C. Die sogenannte Cornwallmaschine von J. Watt <strong>mit</strong> einem <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>. (a) <strong>Dampf</strong>zufuhrleitung vom <strong>Dampf</strong>erzeuger.<br />
Schematischer Aufbau einer <strong>Dampf</strong>maschine <strong>mit</strong><br />
geschlossenem Wasserkreislauf<br />
6.2. Wärmekraftwerke<br />
Die Nachfolger von James Watt begannen, nach<strong>de</strong>m<br />
die technischen Möglichkeiten zur Herstellung von<br />
Zylin<strong>de</strong>rn und <strong>Dampf</strong>erzeugerkessel wesentlich<br />
verbessert waren, die „Kraft <strong>de</strong>s überspannten<br />
<strong>Dampf</strong>es“, also <strong>Dampf</strong> <strong>mit</strong> Überdruck zu nutzen. Es<br />
entstan<strong>de</strong>n <strong>Dampf</strong>maschinen <strong>mit</strong> geschlossenem<br />
Wasserkreislauf. Das im <strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> verflüssigte<br />
Wasser wur<strong>de</strong> von einer dampfgetriebenen<br />
„Speisewasserpumpe“ in <strong>de</strong>n Kessel zurückgepumpt.<br />
Solche <strong>Dampf</strong>maschinen wur<strong>de</strong>n in Schiffen und<br />
Schnellzuglokomotiven noch bis vor etwa 40 Jahren<br />
verwen<strong>de</strong>t.<br />
Ersetzen wir in einer <strong>Dampf</strong>maschine<br />
<strong>mit</strong> geschlossenem Wasserkreislauf<br />
<strong>de</strong>n Arbeitszylin<strong>de</strong>r durch eine<br />
<strong>Dampf</strong>turbine, die einen Generator<br />
antreibt, so erhalten wir ein<br />
„Wärmekraftwerk“, wie es heute als<br />
Kohle-, Öl-, Gas- und Kernkraftwerk<br />
eingesetzt wird.<br />
Der schematische Aufbau eines<br />
Kohlekraftwerkes
6.3. Der Automotor<br />
8<br />
Ein weiterer Nachkomme <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine ist <strong>de</strong>r Automotor, bei<br />
<strong>de</strong>m <strong>de</strong>r Brennstoff (Benzin-Luftgemisch) direkt in <strong>de</strong>n Arbeitszylin<strong>de</strong>r<br />
gesaugt wird und dort verbrennt. Der Kolben treibt dann die<br />
„Schwungmasse“ und über eine Welle die Autorä<strong>de</strong>r an.<br />
Der schematische Aufbau eines Automotors<br />
7. Praktikumsversuch Energieströme durch eine <strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>dampfmaschine<br />
Ziele:<br />
Es soll ver<strong>de</strong>utlicht wer<strong>de</strong>n, dass Energie immer irgendwo herkommt, dass Energie immer irgendwo hingeht,<br />
dass Energie zum Strömen unterschiedliche „Energieträger“ benutzt, dass in Systemen, in <strong>de</strong>nen die<br />
Energie von einem Energieträger auf einen an<strong>de</strong>ren umgela<strong>de</strong>n wird („Energieumla<strong>de</strong>r“), ein Teil <strong>de</strong>r<br />
Energie auf unerwünschte Energieträger gelangt und so<strong>mit</strong> „verloren geht“, dass <strong>de</strong>r „Wirkungsgrad“ eines<br />
Systems angibt, wie groß <strong>de</strong>r Anteil <strong>de</strong>r einströmen<strong>de</strong>n Energie ist, <strong>de</strong>r auf <strong>de</strong>n gewünschten Energieträger<br />
umgela<strong>de</strong>n wird.<br />
Material:<br />
<strong>Mo<strong>de</strong>ll</strong>dampfmaschine Gasbrenner<br />
Gasbehälter <strong>mit</strong> Silikonverbindungsschlauch Dynamo (Generator)<br />
Glühlampe (4 V; 0,04 A) Glühlampen (z.B. 4 V; 0,2 A)<br />
Lampenfassung E10 Verbindungskabel<br />
Transmissionsriemen elektr. Leistungsmesser<br />
Präzisionswaage Stoppuhr<br />
Vorversuch:<br />
Baue die skizzierte Anordnung auf. Fülle <strong>de</strong>n Tank <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine zu einem Viertel <strong>mit</strong> Wasser.<br />
Kontrolliere während <strong>de</strong>r Durchführung<br />
<strong>de</strong>s Versuches immer wie<strong>de</strong>r<br />
<strong>de</strong>n Wasserstand; ohne Wasser wird<br />
<strong>de</strong>r Kessel vom Gasbrenner zerstört!<br />
Heize die <strong>Dampf</strong>maschine ein. Stelle <strong>de</strong>n<br />
Gasbrenner so ein, dass sich das<br />
Schwungrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine<br />
gleichmäßig dreht.<br />
Aufgaben:<br />
• Beschreibe <strong>de</strong>n Weg, <strong>de</strong>n die Energie nimmt und gib die verwen<strong>de</strong>ten Energieträger an!
9<br />
• Schraube die Glühlampe aus <strong>de</strong>r Fassung; beschreibe und begrün<strong>de</strong> die Verän<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r<br />
Drehung <strong>de</strong>s Schwungrads.<br />
• Schraube eine stärkere Lampe z.B. 4 V / 0,2 A in die Lampenfassung; beschreibe und begrün<strong>de</strong> die<br />
Verän<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Drehung <strong>de</strong>s Schwungra<strong>de</strong>s.<br />
• Trotz <strong>de</strong>r stärkeren Glühlampe soll das Schwungrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine sich so schnell wie <strong>mit</strong> <strong>de</strong>r<br />
schwächeren Glühlampe drehen. Was musst du tun?<br />
Messversuch:<br />
Der Gasbrenner soll so eingestellt sein, dass sich das Schwungrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine <strong>mit</strong><br />
angeschlossener stärkerer Glühlampe gleichmäßig dreht.<br />
• Baue <strong>de</strong>n Leistungsmesser (elektr.) ein und er<strong>mit</strong>tle die Stärke <strong>de</strong>s Energiestroms, <strong>de</strong>r durch die Kabel zur<br />
Glühlampe geleitet wird. Lies hierzu in <strong>de</strong>r Gerätebeschreibung <strong>de</strong>s Leistungsmessers nach!<br />
• Er<strong>mit</strong>tle <strong>mit</strong> <strong>de</strong>r Waage, wieviel Gramm [g] Gas <strong>de</strong>n Brenner in einer Minute verlassen und berechne <strong>mit</strong><br />
diesen Angaben die Stärke <strong>de</strong>s Gasstroms in [g/s].<br />
Auswertung:<br />
Verbrennt 1 g Propangas unter Sauerstoffzuführung, so wer<strong>de</strong>n 46 kJ Energie abgegeben.<br />
• Berechne die Wattzahl <strong>de</strong>s Gasbrenners.<br />
• Berechne <strong>de</strong>n Wirkungsgrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine in %.<br />
Zusätzliche Aufgaben:<br />
Verbessere <strong>de</strong>n Wirkungsgrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine, in<strong>de</strong>m du <strong>de</strong>n „Abdampf“ in einen wassergekühlten<br />
<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong> leitest<br />
• Er<strong>mit</strong>tle durch neue Messungen <strong>de</strong>n Wirkungsgrad <strong>de</strong>r <strong>Dampf</strong>maschine im „<strong>Kon<strong>de</strong>nsator</strong>betrieb“.<br />
• Erläutere <strong>de</strong>n folgen<strong>de</strong>n Satz: „Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist um so größer, je größer<br />
<strong>de</strong>r Unterschied zwischen <strong>de</strong>r Temperatur <strong>de</strong>r in die Maschine hineinströmen<strong>de</strong>n Wärme und <strong>de</strong>r<br />
Temperatur <strong>de</strong>r aus <strong>de</strong>r Maschine herausströmen<strong>de</strong>n Wärme ist.“<br />
8. Literatur<br />
[1] Dieter Plappert: Kumulatives Lernen - die Bildung <strong>de</strong>s Entropiebegriffs in Sekundarstufe I, Praxis <strong>de</strong>r<br />
Naturwissenschaften Physik 4/53, Juni 2004<br />
[2] Heiner Schwarze et al.: Entropielehre II, Unterricht Physik Aulisverlag Deubner, Frühsommer 2008<br />
[3] Dieter Plappert: Der Energiebegriff – die Verzahnung <strong>de</strong>r Naturwissenschaften durch eine<br />
gemeinsame Fachsprache, Praxis <strong>de</strong>r Naturwissenschaften Physik 6/55, Juni 2004<br />
9. Vertrieb / Bezugsquelle:<br />
Naturwissenschaftliche und technische Einrichtungen - Lehr<strong>mit</strong>tel - Planungen<br />
79219 Staufen Krozinger Straße 18 - Tel. 07633 / 81417 - Fax 07633 / 50825<br />
www.laborplan.<strong>de</strong> e-Mail: Schnei<strong>de</strong>r.Laborplan@t-online.<strong>de</strong>