Die Umwandlung der Energieformen
Experimente:
Versuch: Modellversuch zur Funktion einer Turbine
Man sagt gern:
Energie wird durch Verbrennung gewonnen. Das ist falsch. Denn Energien können nur
ineinander umgewandelt werden.
In Benzin und Sauerstoff schlummern große Mengen an potentieller Energie, die zur
Arbeitsleistung herangezogen werden können. Dazu muss die chemische Energie aber
erst in handlichere Energieformen umgewandelt werden.
Die in Treibstoffen und im Sauerstoff gespeicherte chemische
Energie ist umgewandelte Strahlungsenergie der Sonne;
denn letztlich sind Erdöl und Sauerstoff Produkte der pflanzlichen Fotosynthese. Diese
Energie wird bei der Verbrennung wieder frei, wobei energieärmere Verbindungen wie
Wasser und Kohlenstoffdioxid entstehen.
Bevor die Verbrennungsreaktion einsetzen kann, muss das Reaktionsgemisch aus
Treibstoff und Sauerstoff aktiviert werden. Bei flüssigen Brennstoffen dient ein
beträchtlicher Teil der notwendigen Aktivierungsenergie
zum Verdampfen der Brennstoffe.
Erst dann wird die in den Brennstoffen gespeicherte chemische Energie bei der
explosionsartigen Verbrennung in Wärme und
Volumenarbeit überführt. Der Motor
wandelt diese Energieformen in Bewegungsenergie um (->
Versuch). Mit Hilfe eines Generators, der Lichtmaschine, wird ein
Teil der Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.
Ein Teil der Abwärme dient zum Heizen des Wagens.
Im wesentlichen werden drei Motorentypen genutzt:
Wirkungsgrad
Ein großes Problem bei der Gewinnung und Nutzung von Energie aus
Verbrennungsprozessen ist, dass nicht die gesamte Wärme in wertvolle oder nutzbare
Energieformen wie mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Grund hierfür ist die Entwertung von Energie durch Abwärme oder Reibung.
Der Wirkungsgrad (mit dem griechischen Buchstaben h, Eta,
bezeichnet) gibt an, welcher Teil der eingesetzten Energie in Nutzenergie umgewandelt wird.
Es gilt:
So beträgt der Wirkungsgrad bei einem Kraftfahrzeug wegen der hohen Reibungs- und Wärmeverluste normalerweise höchstens um die 16 %.
Ziel der technischen Entwicklungen bei der Energieumwandlung
Obwohl die Verbrennung die älteste chemische Reaktion der Menschheit
ist, beherrschen wir sie immer noch nicht vollständig. Dies betrifft die Bedingungen zur
Regulierung der Verbrennungsprozesse, um den Energieinhalt der Treibstoffe voll
auszuschöpfen, und die Optimierung der Energieverwertung. Hierzu dienen
Maßnahmen wie die feinste Verteilung des Treibstoffs, die Regulierung der
Sauerstoffzufuhr zur vollständigen Verbrennung und Optimierung technischer
Energieumwandlungen.
Auf diese Art kann auch der Ausstoß von Schadstoffen vermindert werden. Zur
Entfernung dieser Schadstoffe sind besondere Anstrengungen notwendig. Deshalb ist
man auch bestrebt, eine maximale Energieausbeute zu erlangen, um auf diese Weise
den Schadstoffausstoß so gering wie möglich zu halten.
Deshalb sind die Ziele der Brennstofftechnologie:
| - | Den Energieinhalt der Brennstoffe optimal auszuschöpfen, d. h. für ein möglichst großes Verhältnis zwischen Energieausbeute und Brennstoffverbrauch (Wirkungsgrad) zu sorgen, |
| - | nur Kohlenstoffdioxid und Wasser als Reaktionsprodukte zu erhalten, |
| - | keine schädigenden Abgase freizusetzen. |
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