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XIV.6.4.1 Prinzip des Stirling-Prozesses Das Arbeitsmedium bei diesem Prozess ist ein ideales Gas. Der Stirling- Prozess kombiniert isotherme und isochore Prozesse: T = const. Isotherme ⇒ dU = 0 V = const. Isochore ⇒ δW = 0 In der Realität treten keine reinen Isothermen und Isochoren auf. Deshalb wird das pV-Diagramm abgerundet. Abbildung XIV.23: p/V-Diagramm des Stirling-Prozesses Beim Stirling-Prozess werden die folgenden vier Schritte durchlaufen: 1. Durch eine isotherme Kompression wird bei konstanter Temperatur T2 dem Gas Arbeit zugeführt. Ein Arbeitskolben drückt das Gas von V2 zu V1 zusammen. 2. Bei konstantem Volumen V wird das Gas erwärmt auf eine Temperatur T1. 3. In diesem Schritt wird das Gas wieder auf das größere Volumen V2 erweitert, die Temperatur wird konstant auf T1 gehalten. 4. Der Kreislauf schließt sich, indem das Gas nun bei gleichbleibendem Volumen V2 auf die Temperatur T2 abgekühlt wird. Seite 367 XIV. Kapitel: Hauptsätze der Wärmelehre Skript Experimentalphysik I
Abbildung XIV.24: Vier Schritte des Stirling-Prozesses Die Wärmezufuhr erfolgt bei der isochoren Erwärmung und bei der isothermen Expansion. Die bei der isochoren Abkühlung abgegebene Wärme ist betragsmäßig genauso groß wie die bei der isochoren Erwärmung zugeführte Wärme: Q23 = - Q41. Gelingt es, die abgegebene Wärme Q41 zwischenzuspeichern und bei der isochoren Erwärmung wieder an das System zurückzuführen, dann muß von außen her nur noch die Wärme Q34 zugeführt werden, und der Wirkungsgrad erreicht den Wert des Carnot-Prozesses. Der Stirling-Prozess kann wie in Abbildung XIV.24 gezeigt näherungsweise so realisiert werden, dass der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben, um 90 0 phasenverschoben, auf der Kurbelwelle arbeiten. Der Verdrängerkolben schiebt die Luft im Zylinder des Motors hin und her. Dabei bringt er die Luft abwechselnd mit dem heißen und kalten Teil der Maschine in Kontakt. Der Verdränger ist wegen des Regenerators, der aus Metallspänen besteht, gleichzeitig Wärmespeicher, d.h. dass der Regenerator beim Durchströmen der heißen Luft Wärme aufnimmt und diese nachher wieder an die durchströmende kalte Luft abgibt. Bei dem im Demonstrationsversuch verwendeten Demonstrationsmodell des Heißluftmotors, dient eine Glühwendel, die oben im Deckel eingebaut ist, als Wärmequelle. Der doppelwandige Zylinder im unteren Teil des Motors dient als Wärmesenke, indem Kühlwasser durch ihn Seite 368 XIV. Kapitel: Hauptsätze der Wärmelehre Skript Experimentalphysik I
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