Die Thermodynamik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit thermischen
Phänomenen befasst, d.h. mit allen Vorgängen, die von der Temperatur
oder von Temperaturänderungen beeinflusst werden. In der Thermodynamik
spielt eine besondere Form der Energie, die wir als Wärme
bezeichnen, eine zentrale Rolle. Deshalb findet man oft an Stelle von "Thermodynamik"
auch die Bezeichnung Wärmelehre.
Die Thermodynamik ist insbesondere die Lehre von energetischen Vorgängen.
Ihre Kernaussagen sind in den sogenannten Hauptsätzen formuliert: Der Erste
Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns, dass es unmöglich ist, eine Maschine
zu bauen, die Energie aus dem Nichts produziert, da die Gesamtenergie eins Systems
immer erhalten bleibt. Die Suche nach dem "Perpetuum mobile", einer
Maschine die aus dem "Nichts" Energie produziert, musste daher erfolglos
bleiben. Die Energie wandelt sich lediglich von einer Energieform in eine andere
um. Wie diese Energieumwandlung abläuft, ob in der Technik (Dampfmaschinen,
Motoren, Heizungen, …) oder in der Natur (Klima
auf der Erde, Transportvorgänge in Zellen, …), das beschreiben
uns die Gesetze der Thermodynamik. Eine Einblick in diese Thematik bietet Ihnen
die vorliegende SLE.
Die Thermodynamik zeigt uns auch, welche Vorgänge spontan und welche nur
unter Energieaufwand ablaufen: Um die Suppe zu kochen, brauche ich Energie,
aber auf dem Tisch kühlt die Suppe von ganz alleine ab. Wer den Zweiten
Hauptsatz der Thermodynamik verstanden hat, weiß, warum Kraftwerke immer
Abwärme erzeugen und warum es nie gelingen kann, thermische Energie vollständig
in mechanische oder elektrische Energie umzuwandeln. Dieser Themenkomplex ist
Gegenstand der SLE "Wärmekraftmaschinen" und wird in dieser Einführung
daher nicht behandelt.
Die Kolbendampfmaschine
Ein zentraler Punkt der Thermodynamik ist die Lehre von der Energieumwandlung.
Speziell befasst sie sich mit der Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische
Energie mittels sogenannter Wärmekraftmaschinen. Gerade die Erfindung der
Kolbendampfmaschine durch James Watt, deren vielfältige Nutzung im 18.
Jahrhundert die industrielle Revolution auslöste, hat die Entwicklung der
Thermodynamik entschieden vorangetrieben. Die Kolbendampfmaschine ist heute
durch moderne Wärmekraftmaschinen wie Otto-, und Dieselmotoren sowie Dampfturbinen
ersetzt worden.
Die hier gezeigte Animation demonstriert die Funktionsweise einer einfachen
Kolbendampfmaschine. Sie können es durch Anklicken des Buttons starten bzw.
stoppen.
Funktionsweise einer einfachen Kolbendampfmaschine
Im Kessel wird Wasserdampf von sehr hohem Druck (rot) erzeugt. Dieser kommt
durch den Dampf-Einlass in den Schieberkasten und wird durch den Schieber in
den Zylinder auf eine Seite des Kolbens geleitet. Der heiße Dampf dehnt
sich dort aus. Er schiebt den Kolben an und kühlt sich ab. Über eine
Pleuelstange wird das Schwungrad eine halbe Umdrehung weiter gedreht. Der Schieber
wird bewegt und die Zuführung des Dampfes erfolgt nun auf der anderen Seite
des Kolbens, der dadurch zurück bewegt wird. Der entspannte und erkaltete
Wasserdampf (blau) entweicht durch den Dampfauslass. Derartige Kolbendampfmaschinen
waren bis zum Ende des 19. Jahrhunderts der vorherrschende Maschinentyp.
