Wärmekraftmaschine

Wärmekraftmaschine ist eine Vorrichtung, die aus zugeführter Wärme mechanische Arbeit erzeugt. In einem typischen Betrieb durchläuft der Arbeitsstoff einen zyklischen Prozess, bei dem ein Teil der aufgenommenen Wärme in Arbeit umgesetzt wird und der Rest an die Umgebung abgegeben wird. Die Leistungsfähigkeit einer Wärmekraftmaschine hängt von der Temperaturdifferenz zwischen heißem und kaltem Reservoir ab; der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt die maximal erreichbare Effizienz. Theoretisch lässt sich die Obergrenze durch den Carnot-Zyklus angeben: η_Carnot = 1 − T_kalt/T_hot (in Kelvin).

Man unterscheidet grob zwischen Außenverbrennung (Wärmezufuhr außerhalb des Arbeitsraums) und Innenverbrennung (Wärme stammt aus der Verbrennung im Arbeitsraum). Beispiele für Außenverbrennung sind Dampfmaschinen und Rankine-Zyklen; Stirling- und Ericsson-Maschinen arbeiten mit externer Wärme und häufig geschlossenem Arbeitsmedienkreis. Beispiele für Innenverbrennung sind Ottomotoren, Dieselmotoren und Gasturbinen (Brayton-Zyklus), bei denen chemische Energie des Brennstoffs direkt in Wärme umgewandelt wird, die wiederum in Arbeit übergeht.

Die Wärmekraftmaschinen sind zentral für Stromerzeugung und Mobilität. In der Praxis sind reale Maschinen irreversibel und weisen Verlustquellen wie Reibung, Wärmeübertragung und Abwärme auf, weshalb ihre Wirkungsgrade unter dem Carnot-Wert liegen. Typische Anwendungen umfassen Dampfanlagen und Dampfturbinen in Kraftwerken, Gasturbinen- und Dieselmotorenantriebe in Fahrzeugen sowie Motoren in Industrie- und Haushaltsgeräten. Die Technik hat die Entwicklung der Thermodynamik maßgeblich geprägt und bleibt Grundlage moderner Energieversorgung.