PHYSIK compact - Basiswissen 6

6 Wärme und Energie

• Einleitung
• Gesetz des idealen Gases
• Die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung
• Zustandsänderungen
• Der Carnotsche Kreisprozess
• Der 4-Takt-Motor
• Kreuzworträtsel
• Guided Webtour: Erneuerbare Energie
• Guided Webtour: Wetter und Klima
• Wissensquiz

Verbrennungsmotor

Fachbezug

Lernziele

Kreisprozess. Wärmekraftmaschinen, Verbrennungsmotor, Ottomotor. Arbeit im p-V-Diagramm, Wirkungsgrad.

Aufgabe

Beobachte die einzelnen Takte des Verbrennungsmotors! Disktutiere die aktuelle Darstellung im p-V-Diagramm! Halte die Simulation an, wenn du eine Situation genauer untersuchen möchtest... Achte besonders darauf, ob Arbeit aufgewendet werden muss ("Kompressionsarbeit") oder ob Arbeit vom Motor verrichtet wird ("Expansionsarbeit")!

 

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Beschreibung

Ein wichtiger Typ von Verbrennungsmotoren ist der so genannte Otto Motor. Ein vollständiger Kreisprozess ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

1. Adiabatische Expansion
2. Isochore Wärmeabgabe
3. Ausstoßen des verbrannten Treibstoffgases
4. Ansaugen eines neuen Treibstoff/Luftgemisches
5. Adiabatische Kompression
6. Isochore Wärmezufuhr

Aktivitäten

• Ordne den einzelnen Phasen der Animation die korrekten Abschnitte des Kreisprozesses zu!
• Zu welchen Zeitpunkten ändert sich die Anzahl der Gasteilchen?
• Zu welchen Zeitpunkten fließt Wärme zu oder ab?
• Betrachte die adiabatische Expansion und gib den Anfangsdruck und Anfangsvolumen an!
• Wie groß sind der Enddruck und das Endvolumen? Bestimme für diese Werte die adiabatische Konstante γ (Hinweis: pV^γ = const.)
• Ist das Gas einatomig, zweiatomig oder mehratomig?
• Bestimme die Netto-Arbeit bei diesem Kreisprozess!
• Berechne die aufgenommene Wärme: Q = ΔU + W bzw. ΔU = f/2NΔT, dabei gilt f = 3 für einatomige Gase, 5 für zweiatomige Gase und 6 für mehratomige Gase.
• Was ist der Wirkungsgrad für diesen Motor? Beachte, dass dabei gilt:
  ε = (abgegebene Arbeit)/(zugeführte Wärme) = |W|/|Q_H|.
• Überprüfe, dass gilt: 1 - (V_min/V_max)^1-γ. Der Wirkungsgrad hängt also vom maximalen und minimalen Volumen des Gases ab.

Einschränkungen

• Das Gas im Verbrennungsmotor wird als Ideales Gas angenommen.
• In diesem Beispiel wird N = nR (dh k_B = 1) vorausgesetzt.
• Der Vorgang der Zündung wird als augenblicklich angenommen.

Physlet® - Davidson-College, W.Christian, M.Belloni, P.Krahmer et.al.