Arbeitsgaszyklen

Arbeitsgaszyklen bezeichnen in der Thermodynamik geschlossene Zyklen, in denen ein Arbeitsgas durch eine Abfolge von Zustandsänderungen geführt wird. Dabei wird Wärme mit der Umgebung ausgetauscht und Arbeit am oder durch das Gas verrichtet. Das Ziel eines Arbeitsgaszyklus ist typischerweise die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit oder die effiziente Übertragung von Wärme.

Die Zustandsänderungen in einem Arbeitsgaszyklus lassen sich oft durch ideale Prozesse charakterisieren. Typische Prozesse sind isentrope (adiabatische) Kompression oder Expansion, isotherme Prozesse sowie isochore (konstante Volumen) oder isobare (konstanter Druck) Wärmeübertragung. Durch die Anordnung dieser Prozesse ergeben sich verschiedene Zyklen, die theoretisch oder praktisch vorkommen.

Zu den bekanntesten klassischen Arbeitsgaszyklen gehören der Carnot-Zyklus, der Brayton-Zyklus, der Otto-Zyklus, der Diesel-Zyklus und der Stirling-Zyklus. Der Carnot-Zyklus ist ein theoretischer Prototyp, der aus zwei isothermen und zwei adiabaten Prozessen besteht und den maximal möglichen Wirkungsgrad zwischen zwei Wärmereservoirs definiert. Der Brayton-Zyklus beschreibt Turbinen- oder Gasturbinenprozesse mit isentropischer Verdichtung, konstanter Druckerhöhung während der Wärmezufuhr und isentropischer Expansion. Der Otto-Zyklus modelliert Ottomotoren mit einer Verdichtung, einer konstant volumente Wärmezufuhr, einer Expansion und einer Wärmeabgabe bei konstantem Volumen. Der Diesel-Zyklus ähnelt dem Otto-Zyklus, unterscheidet sich jedoch durch Wärmezufuhr bei konstanter Druckhöhe. Der Stirling-Zyklus nutzt zwei isotherme und zwei isochore Phasen und setzt typischerweise einen Regenerator ein.

In der Praxis treten bei Arbeitsgaszyklen Verluste durch irreversibilitäten, Reibung, unvollständige Wärmeübertragung und nicht idealität der Gase auf. Dennoch dienen sie als grundlegende Modelle zur Auslegung und Analyse von Motoren, Gasturbinen, Wärmepumpen und Kälteanlagen sowie zur Bewertung der theoretischen und praktischen Effizienz.

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