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Kalorik
Thermodynamischer Kreisprozess
Heißluftmotor: Quantitative Versuche
Versuchsziele
Messung der dem Zylinderkopf pro Umlauf entzogenen Wärme Q
Messung der dem Kühlwasser pro Umlauf zugeführten Wärme Q
Bestimmung des Wirkungsgrades (der Leistungszahl)
Grundlagen
Als Kältemaschine entzieht der Heißluftmotor dem Zylinder-
kopf pro Umlauf die Wärme Q
Kühlwasser zu. Da die Übertragung der Wärme vom kälteren
auf das wärmere Reservoir entgegen der spontanen Richtung
verläuft, muss pro Umlauf die mechanische Arbeit W aufge-
wandt werden. Die Kältemaschine ist also im Prinzip eine
Wärmekraftmaschine in umgekehrter Arbeitsrichtung. Wenn
keine Verluste auftreten, gilt für die beteiligten Größen der
Zusammenhang
= Q
+ W
Q
1
2
Der Wirkungsgrad (oder besser die Leistungszahl) einer Kälte-
maschine ist definiert als
Q
2
=
W
Bestimmung des Wirkungsgrades der Kältemaschine
und führt die Wärme Q
dem
2
1
(I).
(II).
LEYBOLD
Handblätter
Physik
Bestimmung des Wirkungsgrades
des Heißluftmotors
als Kältemaschine
.
2
.
1
der Kältemaschine.
Zur Bestimmung der Leistungszahl wird die Schwungscheibe
des Heißluftmotors mit einem Elektromotor im Uhrzeigersinn
auf eine Drehzahl f angetrieben und in einer Kompensations-
messung die elektrische Heizleistung bestimmt, die die Tem-
peratur des Zylinderkopfes konstant auf Umgebungstempera-
tur hält. Die pro Umlauf zugeführte elektrische Arbeit entspricht
der dem Zylinderkopf von der Kältemaschine entzogenen Wär-
me Q
. Also ist
2
U ⋅ I
=
Q
2
f
U: Heizspannung, I: Heizstrom
Zusätzlich wird der Temperaturanstieg ∆ im Kühlwasser ge-
messen und die an das Kühlwasser abgegebene Leistung
V
P = c ⋅ ⋅
⋅
t
–1
–1
c = 4,185 J g
K
: spezifische Wärmekapazität von Wasser,
–3
= 1 g cm
: Dichte von Wasser
V
: Volumendurchsatz des Kühlwassers
t
bestimmt. Daraus ergibt sich die dem Kühlwasser pro Umlauf
zugeführte Wärme Q
:
1
P
=
Q
1
f
f: Drehzahl des Heißluftmotors
Die Differenz W' = Q
– Q
1
gesamte pro Umlauf aufzuwendende mechanische Arbeit. Sie
enthält auch die mechanische Arbeit W
der Kolbenreibung aufgewandt werden muss und die eine
zusätzliche Erwärmung des Kühlwassers verursacht (siehe
Versuch P2.6.2.1). Daher ist die für den Kreisprozess, also für
die Übertragung der Wärme vom kälteren ins wärmere Reser-
voir, aufzuwendende mechanische Arbeit gegeben durch
W = Q
− Q
− W
1
2
R
1
P2.6.2.3
der so bestimmten Wärmen ist die
2
, die zur Überwindung
R
(III)
(IV)
(V).
(VI).
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