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--- grundlagen:bauphysikalische_grundlagen:die_stirling_maschine [2023/11/21 11:20] – [Der Prozess im Druck-Volumen-$(pV)$-Diagramm] wfeist
+++ grundlagen:bauphysikalische_grundlagen:die_stirling_maschine [2023/11/29 12:36] (aktuell) – [Anhang zu einem Einwand: ideale und praktische Maschine] wfeist
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 //Damit werden wir schon einen ersten Nutzen aus dem Kapitel gezogen haben: Das ist der grundsätzlichen Aufbau eines Wärmekraftwerks.// \\ \\
 Diese Maschine (ein thermodynamisches System) entnimmt Wärme aus einem Reservoir mit hoher Temperatur $T_h$ (("Reservoir" bedeutet, dass diese Wärme dort sofort wieder nachgeliefert wird; das kann in der Praxis so geschehen, dass ein geregelter Brenner genau die entnommene Wärme wieder bei genau der Temperatur $T_h$ erzeugt; so wird das z.B. in einem Kohlkraftwerk gemacht. Dadurch bleibt die Temperatur im Reservoir konstant - genau das definiert ein Temperatur-Reservoir)). Die Erfahrung hat immer wieder bestätigt, dass für eine solche Wärmentnahme noch ein zweites Reservoir mit einer kühleren Temperatur $T_c$ gebraucht wird((c für cool = kühl)), an das die Maschine regelmäßig den ganzen Rest der im heißen System abgeholten Wärme abgibt; eben den Rest, der nicht in Arbeit umgewandelt wird. Das kann sogar mit den Kenntnissen, die wir bereits haben, verstanden werden: Erst dann, wenn es ein zweites System mit einer niedrigeren Temperatur gibt, kann Wärme überhaupt vom heißen System abfließen; von dem so "angelockten" Wärmestrom kann auf raffinierte Art ein Teil in mechanische Arbeit umgewandelt werden - wie, werden wir gleich sehen. Damit haben wir eine weitere Erkenntnis:\\  \\
-//Wärmekraftmaschinen brauchen neben einer **Wärmequelle** auch eine **Wärmesenke**.((In praktisch gebauten Kraftwerken ist das. z.B. die Atmosphäre und die 'Verlustwärme' genannte Wärmeabfuhr erfolgt z.B. mit einem Kühlturm. Bei Wärmekraftwerken mit hohen Leistungen ist auch die Abwärmeleistung in aller Regel hoch, sie ist meist höher als die gewonnenen mechanische Leistung. Das beeinträchtigt die Standortwahl solcher Kraftwerke (an der Küste, an einem Fluss, ...) und kann sogar zum begrenzenden Problem für den Kraftwerksausbau werden. Wie wir hier sehen, ist das nicht eine Laune der Technik, sondern eine prinzipielle physikalische Eigenschaft solcher Wärmekraftmaschinen.)).// \\ \\
+//Wärmekraftmaschinen brauchen neben einer **Wärmequelle** auch eine **Wärmesenke**((In praktisch gebauten Kraftwerken ist das. z.B. die Atmosphäre und die 'Verlustwärme' genannte Wärmeabfuhr erfolgt z.B. mit einem Kühlturm. Bei Wärmekraftwerken mit hohen Leistungen ist auch diese Abwärmeleistung in aller Regel hoch, sie ist meist sogar höher als die gewonnenen mechanische Leistung. Das beeinträchtigt die Standortwahl solcher Kraftwerke (an der Küste, an einem Fluss, ...) und kann sogar zum begrenzenden Problem für den Kraftwerksausbau werden. Wie wir hier sehen, ist das nicht eine Laune der Technik, sondern eine prinzipielle physikalische Eigenschaft solcher Wärmekraftmaschinen.)).// \\ \\
 Das ist aber längst nicht alles, was wir mit dieser Maschine anfangen können: Es stellt sich nämlich heraus, dass jeder einzelne Ablauf beim Betrieb dieser Maschine (trotz des 2. Hauptsatzes!) auch in die umgekehrte Richtung laufen kann; diese Maschine ist, wie es in der Fachsprache heißt, reversibel. In dieser umgekehrten Richtung entnimmt die Maschine Wärme aus dem kälteren Reservoir((Das geht, dazu muss allerdings Arbeit aufgewendet werden)) und führt diese Wärme zusammen mit der aufgebrachten mechanischen Arbeit an das heiße Reservoir ab. Damit haben wir gleich zwei praktisch bedeutende Maschinen gewonnen: \\ \\
 //Den **Kühlschrank**: dem kältere Reservoir kann aktiv Wärme entnommen werden, es wird gekühlt. Und...// \\ \\
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 Diese beiden alternativen Nutzungen der Stirling-Maschine machen jeweils etwas, das nach der einfachen Intuition 'unvorstellbar' erscheint - in einem heißen System aus einer kälteren Umgebung heraus Wärme abziehen! Auf den allerersten Blick scheint es sogar, dass das der als 2. Hauptsatz formulierten Erfahrung widerspreche. Hier zeigt sich ein weiteres mal, wie wichtig eine klare Formulierung der Sachverhalte ist: Der zweite Hauptsatz sagt nicht, dass die Wärmeentnahme aus einem kälteren System nicht möglich sei. Er sagt nur, dass ein solcher Vorgang "nicht von selbst" stattfindet und dass es nicht das einzige Ergebnis eines Prozesses sein kann: In unserem Fall geschieht die Wärmeentnahme auch nicht "von selbst" sondern technisch bewerkstelligt mit der Stirling-Maschine; und zu deren Betrieb als Wärmepumpe wird mechanische Energie benötigt - die von irgendwoher bereitgestellt werden muss; dort fehlt sie dann, das ist das weitere Ergebnis des Prozesses. Damit eignet sich der Stirling-Prozess (in beide Richtungen) zur Präzisierung dessen, welche physikalischen Bedingungen dafür gegeben sein müssen und welcher minimale Aufwand dafür erforderlich ist, ein kaltes System doch weiter zu kühlen.\\ \\
 Aus Sicht der physikalischen Erkenntnis ist die Kombination dieser umgekehrt herum laufenden Maschine mit der ursprünglichen Maschine hoch interessant: führen wir beide Prozesse nacheinander durch, so sind alle Systeme (die Wärmekraftmaschine, die Wärmepumpe und beide Reservoire) hinterher in genau dem gleichen Zustand wie am Anfang.\\ \\
-Der Stirling-Prozess ist genau so ein reversibler Prozess, der den von Natur aus eigentlich "irreversiblen" Wärmetransport von $T_h$ nach $T_c$ reversibel macht. Ideal durchgeführt, wird der Wärmetransport dadurch 'verlustfrei'. Es wird nämlich genau soviel mechanische Arbeit gewonnen((die wir zunächst speichern können)) wie wir hinterher wieder brauchen, um mit der gleichen Maschine im umgekehrten Ablauf die Wärme wieder zurück zu holen. Das ist somit\\ \\
+Der ideale Stirling-Prozess ist genau so ein reversibler Prozess, der den von Natur aus eigentlich "irreversiblen" Wärmetransport von $T_h$ nach $T_c$ reversibel macht. Ideal durchgeführt, wird der Wärmetransport dadurch 'verlustfrei'. Es wird nämlich genau soviel mechanische Arbeit gewonnen((die wir zunächst speichern können)) wie wir hinterher wieder brauchen, um mit der gleichen Maschine im umgekehrten Ablauf die Wärme wieder zurück zu holen((Zu einem hier jetzt möglichen Einwand siehe den [[/grundlagen/bauphysikalische_grundlagen/die_stirling_maschine#anhang_zu_einem_einwandideale_und_praktische_maschine|Anhang am Ende des Kapitels]].)). Das ist somit\\ \\
 //Ein exzellentes Beispiel für sehr hohe (im Grenzfall ideale) **Energieeffizienz**.// \\ \\
 Es ist zugleich ein Tool, mit dem\\ \\
 //Grundlegende Fragen der **Thermodynamik** behandelt und am Ende sogar **quantitative Aussagen** dazu hergeleitet werden können.// \\ \\
 Wirklich, das ist eine ganze Schatztruhe, die wir damit erschließen. Das schönste daran aber ist:\\ \\
-//Die hier beschriebene Maschine kann((in beliebig guter Näherung; natürlich nie 100% verlustfrei... aber im Grundsatz beliebig nahe dran)) tatsächlich **in der Praxis** gebaut werden. Dies wird klar, wenn wir die Erklärung zum Aufbau und zum Betrieb des Stirlingmotors - wie unten dargestellt - betrachten.// \\ \\
+//Die hier beschriebene Maschine kann((in beliebig guter Näherung; natürlich nie 100% verlustfrei... aber im Grundsatz beliebig nahe dran, vgl. dazu auch [[/grundlagen/bauphysikalische_grundlagen/die_stirling_maschine#anhang_zu_einem_einwandideale_und_praktische_maschine|"Einwand"]])) tatsächlich **in der Praxis** gebaut werden. Dies wird klar, wenn wir die Erklärung zum Aufbau und zum Betrieb des Stirlingmotors - wie unten dargestellt - betrachten.// \\ \\
 Das Foto ganz oben zeigt z.B. einen Eigenbau einer Stirling-Maschine von Pedro Servera. Im Internet gibt es eine Reihe von Beschreibungen zu "wir bauen uns einen Stirling-Motor", z.B. hier; [[https://www.youtube.com/watch?v=SJsuwIUb0wE|'Stirling Engine - Made In An Hour']]. Oder, ein einfaches Demonstrationsmodell kann auch bestellt werden (suche nach "Stirlingmotor"; hier wird das Modell erklärt: [[https://www.youtube.com/watch?v=aS087PHimNY|Stirling-Modell]]). \\ \\
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+=====Anhang zu einem Einwand: die 'ideale' und die 'praktische' Maschine=====
+<WRAP Box lo> Hier gibt es dann oft einen prinzipiell klingenden **Einwand**: Diese Kombimaschine aus einem idealen Stirlingmotor und einer idealen Stirling-Wärmepumpe wäre dann ein echtes **//Perpetuum mobile//**: Eine Maschine, die ohne sonstige Änderungen in der Natur dauernd von selbst läuft - und "eine solche darf es doch gar nicht geben." Wir lösen dies als Scheinwiderspruch im Folgenden auf:
+  * Zunächst einmal ist klar, dass auch diese ideale Kombimaschine keine freie Arbeit liefert. Sie läuft "nur". Und weil selbst das Feststellen dieses 'Laufens' einen geringfügigen Energiebetrag erfordert, könnten wir, so es diese ideale Maschine ansonsten wirklich gäbe, diesen Zustand in der Praxis noch nicht einmal verifizieren.
+  * Schon aus dem ersten Punkt wird klar, dass es die //ideale Kombimaschine// eben in der Praxis dann doch nicht gibt; sie ist nur eine theoretisches Konstruktion, freilich eine sehr hilfreiche. Geringfügige "Schmutzeffekte" gibt es eben immer, z.B. dass es bei einer Temperaturdifferenz von "Null" zwischen dem heißen Reservoir und dem heißen Prozessabschnitt unendlich lange dauern würde, bis dabei überhaupt Wärme übertragen wird. Andersherum: Damit in endlicher Zeit Wärme übertragen wird, wird es immer eine, im Grundsatz auch "extrem kleine" Temperaturdifferenz an dieser Stelle geben müssen; und genau dieser Teilprozess ist dann wieder wirklich irreversibel, d.h. eine realisierte "praktische Maschine" wird den Wirkungsgrad der idealen Kombimaschine nie exakt erreichen, sondern ein wenig schlechter bleiben. Das kann wiederum extrem wenig sein, d.h., auch die praktische Maschine könnte dem idealen Kombiprozess //sehr nahe// kommen - nur, diesen eben nicht exakt erreichen. Also kein Perpetuum mobile, aber beliebig nahe daran. Genau so, wie viele der anderen auf den ersten Blick 'ewig laufenden' Beispiele; die eben in Wahrheit nur sehr lang, aber eben doch nicht ewig laufen.
+  * Eine letzte Bemerkung aus der Anwendungspraxis dazu: Ob so ein Wirkungsgrad (z.B. des Stirlingmotors) im Einzelfall nun z.B. 48% tatsächlich erreicht oder doch nur 47,8% - das ist auch für die Praxis unbedeutend. Die heute tatsächlich vorliegenden Abstände zwischen dem ideal Möglichen und dem bisher Üblichen liegen eher bei Faktoren 1,5 bis 10. Die "1,5" z.B. bei einem konkreten sehr guten modernen Kohlekraftwerk, mehr als die "10" bei den Wärmeverlusten eines beheizten Gebäudes. Da gibt es somit einen enormen Spielraum - auch wenn "exakt ideal" nicht erreichbar ist.
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