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Carnot-Prozess


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Der Carnot-Prozess ist ein idealtypischer Kreisprozess dem das Fluid in einer Wärmekraftmaschine muss um nach dem Durchlaufen des Prozesses selben energetischen Zustand zu haben wie am des Prozesses. Der Prozess ist reversibel d.h. Richtung in der der Prozess durchlaufen wird umkehrbar. Der Carnot-Prozess ist ein wichtiger Grundprozess Thermodynamik er wird als idealer theoretischer Vergleichsprozess verwendet um reale Prozesse zu untersuchen. Er ist ein Er wurde von Nicolas Léonard Sadi Carnot eingeführt um zu untersuchen wie effizient Wärmekraftmaschinen (damals insbesondere Dampfmaschinen ) sein können. Praktisch kann der Carnot-Prozess verwirklicht werden.

Der Carnot-Prozess beruht auf der grundlegenden dass Wärmeenergie die beim Kontakt zweier Körper Temperatur von einen Körper zum anderen fließt die Gewinnung mechanischer Energie endgültig verloren ist. muss ein idealer Prozess solche Kontakte vermeiden.

Der Carnot-Prozess erreicht dies durch einen Prozess:

  1. Ein Gas wird mit einem Wärmereservoir in Kontakt beide haben dieselbe T 1 . Das Gas expandiert und entzieht dem Wärme indem dieses das Gas auf konstanter hält. Einen solche Zustandsänderung bei konstanter Temperatur nennt man isotherm . Bei der Expansion leistet das Gas
  2. Das Gas wird vom Wärmereservoir getrennt expandiert weiter. Eine solche thermisch isolierte reversible nennt man adiabatisch . Die Energie für die dabei geleistete stammt aus dem Gas welches sich daher und danach die niedrigere Temperatur T 2 hat.
  3. Das Gas wird mit einem zweiten der Temperatur T 2 in Kontakt gebracht und dann isotherm Dazu wird mechanische Arbeit benötigt und in umgesetzt die an das Reservoir abgegeben wird.
  4. Das Gas wird vom zweiten Wärmereservoir und adiabatisch weiter komprimiert. Die hierbei am verrichtete Arbeit erwärmt dieses wieder auf die T 1 . Nach dem vierten Schritt muss sich Gas wieder im Ausgangszustand befinden weil nur ein Kreisprozess möglich ist der periodisch fortgesetzt kann.

Die bei den ersten beiden Schritten Arbeit ist größer als die bei den beiden Schritten hineingesteckte Arbeit so dass sich ein Arbeitsgewinn ergibt. Jedoch kann nicht die dem wärmeren Reservoir entzogene Wärmeenergie in Arbeit werden da im dritten Schritt Wärmeenergie ans Reservoir abgegeben wird. Die Tatsache dass man zwei Energiereservoirs braucht um eine Wärmekraftmaschine zu ist das wichtigste Ergebnis von Carnot. Eine arbeitende Maschine die nur einem Reservoir Wärme und diese in Arbeit umsetzt nennt man Perpetuum Mobile zweiter Art. Ein solches widerspräche dem Hauptsatz der Thermodynamik.

Wird der Carnot-Prozess in umgekehrter Richtung entzieht er dem kälteren Reservoir Wärme und sie dem wärmeren Reservoir (zusammen mit der Wärme umgesetzten Arbeitsenergie) zu. Eine solche Vorrichtung man Wärmepumpe . Wärmepumpen werden z.B. als Kühlaggregate oder energiesparenden Heizung von Häusern verwendet.

Der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses ist

 <math> \eta={T_1-T_2 \over T_1}=1-T_2/T_1. </math>  

Jeder reversible Kreisprozess hat genau denselben wie der Carnot-Prozess wenn die mittleren thermodynamischen bei der Wärmezufuhr und bei der Wärmeabfuhr denen der Isothermen im Carnotprozess übereinstimmen. Hätte einen anderen so könnte man den als weniger effizienten Prozess als (effizientere) Wärmepumpe betreiben die vom anderen Prozess ans kältere Reservoir Wärme wieder ins wärmere Reservoir hochpumpt; da weniger Arbeit bräuchte als der als Motor Kreisprozess liefert hätte man auf diese Weise Perpetuum Mobile zweiter Art gebaut.

Carnot-Prozess beim Flammenfresser genannten Vakuummotor :



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