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Kalorik
Thermodynamischer Kreisprozess
Heißluftmotor: Quantitative Versuche
Versuchsziele
Messung der dem Kühlwasser pro Umlauf zugeführten Wärme Q
Messung der pro Umlauf verrichteten mechanischen Arbeit W.
Bestimmung des Wirkungsgrades
Grundlagen
Eine Wärmekraftmaschine entnimmt einem Reservoir pro Um-
lauf die Wärmemenge Q
, verrichtet die mechanische Arbeit W
1
und gibt die Wärme Q
an ein zweites Reservoir ab. Wenn keine
2
thermischen Verluste auftreten, hat die innere Energie des
Systems zu Beginn und am Ende denselben Wert; dann ist
Q
= Q
+ W
1
2
Der Heißluftmotor zeigt dieses ideale Verhalten nicht, da er für
Unterrichtszwecke optimiert wurde. Hier ermöglichen durch-
sichtige Maschinenteile den Einblick in den Funktionsablauf
und auf eine thermische Isolierung des Zylinderkopfes wurde
vollständig verzichtet. Ein erheblicher Teil der zugeführten
elektrischen Leistung geht durch Wärmeleitung und -strahlung
„verloren". D.h.
Q
> Q
+ W
1
2
Als Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine bezeichnet man
normalerweise das Verhältnis
W
=
Q
1
Beim Heißluftmotor ist es jedoch sinnvoller, das Verhältnis
W
=
+ W
Q
2
als Wirkungsgrad zu betrachten.
LEYBOLD
Handblätter
Physik
Bestimmung des Wirkungsgrades
des Heißluftmotors
als Wärmekraftmaschine
der Wärmekraftmaschine.
Die Wärme Q
abgegeben und macht sich dort als Temperaturanstieg be-
merkbar. Einen solchen Temperaturanstieg verursachen je-
doch auch die Reibungsverluste W
denfalls soweit es sich um die Kolbenreibung im Zylinder
handelt (siehe P2.6.2.2). Diese Reibungsverluste müssen in
(I).
einer Energiebilanz als mechanische Arbeit verbucht werden
und zu der an der Schwungscheibe verrichteten mechani-
schen Arbeit hinzugerechnet werden.
Im Versuch übt ein Pronyscher Zaum ein Drehmoment N auf
die Kurbelwelle des Heißluftmotors aus (siehe Fig. 1). Der
Heißluftmotor wird dadurch auf eine Drehzahl f abgebremst.
Hier ist
W = 2 ⋅ N
(II)
die pro Umlauf an die Achse abgegebene mechanische Arbeit
und
W = W + W
(III).
die gesamte pro Umlauf verrichtete mechanische Arbeit.
Die an das Kühlwasser abgegebene Leistung P wird aus der
Temperaturänderung
(IV)
P = c ⋅ ⋅
c = 4,185 J g
= 1 g cm
V
: Volumendurchsatz des Kühlwassers
t
Daraus ergibt sich die dem Kühlwasser pro Umlauf zugeführ-
te Wärme
P
=
Q
2
und die auf den eigentlichen Kreisprozess zurückzuführende
Wärme Q
= Q
Q
2
Fig. 1
1
.
2
wird an das Kühlwasser des Heißluftmotors
2
R
bestimmt:
V
⋅
t
–1
–1
K
: spezifische Wärmekapazität von Wasser,
–3
: Dichte von Wasser
f
2
− W
2
R
Pronyscher Zaum zur Erzeugung eines abbremsenden
Drehmoments N = (F + m ⋅ g) ⋅ r
P2.6.2.2
des Heißluftmotors, je-
R
(V)
(VI)
(VII)
(VIII)
(IX).
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