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[[Datei:Energiebilanz Motor.svg|mini|Wärmekraftmaschine: Energiebilanz]]
Eine '''Wärmekraftmaschine''' ist eine [[Maschine]], die [[Wärme]] in mechanische [[Energie]] (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Beispiele sind [[Dampfmaschine]], [[Dampfturbine]] und alle [[Verbrennungsmotor]]en.

Dagegen wird eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie [[Thermische Energie|Wärmeenergie]] von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, als '''Kraftwärmemaschine''', [[Wärmepumpe]] oder [[Kältemaschine]] bezeichnet.

Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ [[Kreisprozess]]e, bei denen die geschlossene Kurve etwa im [[T-s-Diagramm]] oder [[P-v-Diagramm]] im Sinne „oben nach rechts, unten nach links“ durchlaufen wird. Wärmepumpen nutzen „linkslaufende“ Kreisprozesse. Zur Beurteilung der Effizienz von Kreisprozessen dienen die idealen [[Vergleichsprozess]]e. Die theoretische Grundlage dieser Prozesse bildet die [[thermische Zustandsgleichung idealer Gase]] mit den drei Gaszustandsgrößen [[Druck (Physik)|Druck]], [[Temperatur]], [[Volumen]] und der universellen [[Gaskonstante]].

== Wirkungsgrad ==
Als [[Wirkungsgrad]] einer Wärmekraftmaschine wird der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfließenden Wärmeenergie bezeichnet, der in die genutzte mechanische Energie umgewandelt wird. Eine obere Grenze für ihn ist durch den Wirkungsgrad <math>\eta_\text{Carnot}</math> des [[Carnot-Prozess]]es gegeben, bei dem Wärmeaufnahme und -Abgabe bei definierten Temperaturniveaus <math>{T_\mathrm{max}}</math> und <math>{T_\mathrm{min}}</math> stattfinden und keine Reibungs-, Wärmeabfluss- und Wärmetransportverluste entstehen. Für ihn gilt:

:<math>
\eta_\text{Carnot} = \frac{T_\mathrm{max}-T_\mathrm{min}}{T_\mathrm{max}} = 1 - \frac{T_\mathrm{min}}{T_\mathrm{max}}
</math>

Voraussetzung für die Erreichung des Carnotschen Wirkungsgrades ist, dass alle Teilprozesse des Kreisprozesses [[Reversibler Prozess|reversibel]] gestaltet sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Größe namens [[Entropie (Thermodynamik)|Entropie]] ''S'' des Gesamtsystems aus Wärmekraftmaschine und Umgebung nicht wächst. (Nach dem [[Thermodynamik|zweiten Hauptsatz der Thermodynamik]] kann sie nicht geringer werden, also muss sie konstant bleiben.)

:<math> \Delta S = \oint d S = \oint \frac{dQ}{T} = 0 </math>

(''dQ'' ist die ausgetauschte Wärmemenge eines infinitesimal kleinen Prozessschritts, ''T'' die dazugehörige Temperatur):

Der Carnotsche Wirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, da
* die Wärmeaufnahme auch bei niedrigeren Temperaturen als <math>T_\mathrm{max}</math> und die Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als <math>{T_\mathrm{min}}</math> stattfindet (z. B. im [[Stirling-Prozess]]),
* trotz Isolation immer Wärmetransport ohne Austausch von Arbeit stattfindet,
* jede Maschine Reibungsverluste aufweist, die ebenfalls das Verhältnis von Wärme- zu Arbeitsfluss verschlechtern, und schließlich
* bei schnell ablaufenden Prozessen der Wärmestrom aufgrund des nichtverschwindenden Wärmewiderstands eine Temperaturdifferenz benötigt, die für die Umwandlung in Arbeit verloren geht (siehe [[Wärmeleitung]]).

Für [[Wärmepumpe]]n ist die verwendete charakteristische Größe die [[Leistungszahl]].

Eine wichtige Größe für den [[Wirkungsgrad]] von Kolbenmaschinen bildet der Ausdehnungsgrad, manchmal auch Expansionswirkungsgrad genannt. Das ist der Volumenunterschied des verdichteten Gases zum expandierten Gas am Ende des Arbeitszyklus.

Bei den [[Turbine]]n ist das Druckverhältnis oder das Temperaturverhältnis des Arbeits- oder Brenngases beim Turbineneintritt zum Turbinenaustritt bestimmend für den Wirkungsgrad.

Ebenfalls wichtig ist ein möglichst hoher [[Isentropenexponent]] des Arbeitsgases. Das ist eine Verhältniszahl der [[Wärmekapazität]] eines Gases bei gleichem Druck zu der bei gleichem Volumen. Freie Wahl des Arbeitsgases besteht nur bei Maschinen mit geschlossenem Kreislauf.

== Beispiele ==
=== Verbrennungsmotor ===
[[Verbrennungsmotor]]en haben Verbrennungstemperaturen von bis zu 2500 °C (2773 K) und Arbeitsgas-Endtemperaturen von etwa 1000 °C (1273 K). Der theoretisch maximal erreichbare [[Wirkungsgrad]] wäre also
:<math>
\eta_\text{Carnot} = 1 - \frac{1273\,\mathrm K}{2773\,\mathrm K} = 0{,}54 = 54\,\%
</math>
In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 38 %, Dieselmotoren 45 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 % Wirkungsgrad. In PKWs erreichen unter realen Fahrbedingungen mit einem hohen Anteil von Teillastbetrieb Ottomotoren typischerweise einen zeitlich gemittelten Wirkungsgrad von weniger als 25 % und Dieselmotoren weniger als 30 %.

=== GuD-Kraftwerk ===
Eine Wärmekraftmaschine kann aus verschiedenen [[Kreisprozesse]]n zusammengesetzt werden (z. B. [[GuD-Kraftwerk]]: Kombination des [[Gasturbine]]nprozesses mit einem [[Dampfkraftwerk]]):

# Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 700 [[Grad Celsius|°C]] in der Gasturbine, danach mit den ''Abgasen aus dem Gasturbinenprozess''
# Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 700 bis 100 °C im Dampfkraftwerk,

wodurch theoretisch der [[Wirkungsgrad]] eines (Vergleichs-)Kreisprozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 100 °C erreicht werden kann. GuD-Kraftwerke erreichen in der Praxis Wirkungsgrade bis zu 63 %.<ref>{{cite web |title= GE-Powered Plant Awarded World Record Efficiency by Guinness |publisher= Power Engineering |date= 2018-03-27 |url= https://www.power-eng.com/articles/2018/03/ge-powered-plant-awarded-world-record-efficiency-by-guinness.html}}</ref>

=== Kolbendampfmaschine ===
[[Kolbendampfmaschine]]n im geschlossenen Prozess arbeiten mit Dampftemperaturen bis 350 °C. Der Vergleichsprozess für diese [[Kraftmaschine]]n ist der [[Gleichdruckprozess]]. Der [[Wirkungsgrad]] übersteigt selten 20 %. Stirlingmotoren können im noch tieferen Temperaturbereich Wärme in Kraft umsetzen (z. B. Abwärme aus dem Dampfprozess). Der Wirkungsgrad erreicht dann gemäß der [[Carnot-Wirkungsgrad|Carnot-Gleichung]] kaum mehr als 10 % bis 20 %.

=== Gasturbine ===
[[Gasturbine]]n arbeiten mit Turbineneintrittstemperaturen von 1300 °C bis 1400 °C und Abgastemperaturen von 800 °C bis 600 °C. Der Vergleichsprozess ist der [[Joule-Kreisprozess|Jouleprozess]]. Turbinen erreichen wegen der tieferen Höchsttemperaturen nicht den [[Wirkungsgrad]] von Kolbenmaschinen.

=== Dampfturbine ===
[[Dampfturbine]]n arbeiten mit Höchsttemperaturen von 600 °C bis 700 °C und Endtemperaturen von 130 °C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess oder der [[Clausius-Rankine-Prozess]]. Trotz der geringen Arbeitstemperatur des Dampfes kommt der Prozess wegen der guten [[Wärmekapazität]] und der guten [[Wärmeübergangskoeffizient|Wärmeleitfähigkeit]] des Wasserdampfes im Erhitzer und im Kondensator auf [[Wirkungsgrad]]e von über 30 %.

== Einteilung (Typologie) ==
Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird, gehören Wärmekraftmaschinen zu den thermischen [[Fluidenergiemaschine]]n.

=== Nach Art der Erzeugung der thermischen Energie ===
* [[Verbrennungskraftmaschine]]n (Thermische Fluidenergiemaschinen mit innerer [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennung]]) In aller Regel wird ein Gemisch aus [[Luft]] und [[Kohlenwasserstoffe]]n nach dem [[Verdichter|Verdichten]] zur [[Zündung (Verbrennungsmotor)|Zündung]] gebracht und verbrannt. Beim [[Kolbenmotor]] im Zylinderraum und bei der [[Turbine]] in der [[Brennkammer]]. Die Kohlenwasserstoffe können [[flüssig]] oder [[gasförmig]] mit der Luft und dem [[Sauerstoff]] vermischt werden. Die Effizienz von Maschinen mit innerer Verbrennung ist höher als die Effizienz von Maschinen mit äußerer Verbrennung (trotz besseren Arbeitsgaseigenschaften [[Wärmekapazität]] und [[Isentropenexponent]] bei äußerer Verbrennung), weil die Wärmeübertragung wegfällt.
** [[Verbrennungsmotor]], [[Gasmotor]] ([[Benzinmotor]] λ=1 maximale [[Verbrennungstemperatur]] 2500 K, [[Dieselmotor]] λ=1,4 maximale Verbrennungstemperatur 2200 K)
** [[Gasturbine]], [[Turbofan]] (Kerosinmotor λ=4-6 maximale Verbrennungstemperatur 1500 K, [[Turbolader]] maximale Abgastemperatur 1300 K)

* Thermische Gasenergiemaschinen mit äußerer [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennung]] In der Regel werden feste und billige [[Brennstoff]]e zur Aufheizung des Arbeitsgases verwendet ([[Kohle]], [[Holz]], Müll). Auch minderwertige flüssige und gasförmige Brennstoffe (Rohöl, [[Schweröl]], [[Industriegas]] und [[Biogas]]) werden oft angewandt. Ein typischer Anwendungsfall sind auch die [[Brennstäbe]] von [[Kernkraftwerk]]en. Als Arbeitsgas liefern [[Helium]] und [[Wasserstoff]] einen wesentlich besseren [[Wirkungsgrad]] als [[Dampf]] oder Luft oder [[Abgas]], weil die drei wichtigen Eigenschaften für Arbeitsgase (Wärmekapazität, Isentropenexponent, [[Wärmeübergangszahl]]) besser sind.
** [[Dampfturbine]] (maximale Dampftemperatur 800 K bis 1000 K)
** [[Dampfmaschine]] (untere Dampftemperatur 500 K, obere Dampftemperatur 800 K)
** [[Stirlingmotor]] (untere Heliumtemperatur 400 K)

=== Nach Druckaufbau ===
* [[Strömungsmaschine]]n
** [[Turbomaschine]]n
*** [[Dampfturbine]]
*** [[Gasturbine]]
*** Stau[[strahltriebwerk]]

* [[Kolbenmaschine]]n
** [[Verbrennungsmotor]] (innere Verbrennung)
** [[Dampfmaschine]] (äußere Verbrennung)
** [[Stirlingmotor]] (äußere Verbrennung)

== Siehe auch ==
* [[Mikro-KWK]]
* [[Kraft-Wärme-Kopplung]]
* [[Schukey-Motor]]

== Weblinks ==
* [http://web.archive.org/web/20080606061512/http://www.physikon.de/physikon.cgi?s=http%3A//www.physikon.de/cgibin/physikon.cgi%3Fgebiet%3D01%26kapitel%3D17 Weitere Details bei Physikon Physik-Lexikon] (21. November 2020 im [[Internet Archive]]).
* Alfred Kischke: ''Die Gaskraftmaschinen.'' Kurzgefaßte Darstellung der wichtigsten Gasmaschinen-Bauarten. De Gruyter, 1909. (Nachdruck: ISBN 978-3-11-101818-8)
* ''Gaskraftmaschine.'' In: ''Meyers Großes Konversations-Lexikon.'' Band 7, Leipzig 1907, S. 372–375. [http://www.zeno.org/Meyers-1905/A/Gaskraftmaschine (online auf: ''zeno.org'')]
* [http://www.hessenenergie.de/Downloads/Dl-Nach/dln-tfbio/dln-tfbio-pdfs/4_TF-Lorenz_K.u.Z.pdf ''Dampfschraubenmotor.''] auf: ''hessenenergie.de'' (PDF; 1,8 MB)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Fluidkraftmaschine]]
[[Kategorie:Wärmetechnik]]

Wärmekraftmaschine - Versionsgeschichte

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