Carnot Kreisprozess
Der Carnot Kreisprozess ist ein wichtiger Prozess in der Thermodynamik. Er gibt das Optimum an was eine Wärme-Kraft Maschine erreichen kann. Sein Wirkungsgrad kann im selben Arbeitspunkt von keinem anderen Kreisprozess übertroffen werden und wird von keiner real existierenden Maschine erreicht.
Für die Wärmepumpe ist der links laufende Carnot-Prozess von Bedeutung. Dessen Wirkungsgrad beschreibt die maximal mögliche Leistungszahl der idealen Wärmepumpe bei gegebenen Temperaturen der Wärmequelle und Senke. In der realen Kompressionswärmepumpe wird der linkslaufende Wärmepumpen Kreisprozess verwendet.
Beschreibung
Ein Gas durchläuft einen geschlossenen Kreislauf in dem es abwechslungsweise von einem warmen Reservoir Wärme aufnimmt und unter Verrichtung von Arbeit einen Teil der Wärme an einem kalten Reservoir wieder abgibt. Die Differenz der Wärmeströme entspricht der verrichteten Arbeitsleistung. Das Fluid wird abwechslungsweise unter Aufnahme von Arbeit komprimiert, nimmt Wärme auf, unter Verrichtung von Arbeit entspannt und wieder abgekühlt.
Im T-s Diagramm entspricht der Prozess einem Rechteck (Bild 1)
Die Zustandsänderungen sind wiefolgt:
1-2: Isotherme Kompression. Das Gas gibt dem kalten Reservoir bei konstanter Temperatur T1 (isotherm) Wärme ab. Das Volumen verringert sich dabei. Die Abgeführte Wärme berechnet sich nach
Q1,2 = T1 (S1 - S2)
2-3: Isentrope Kompression (reibungsfrei und adiabat). Unter Aufnahme von Arbeit wird das Gas isentrop verdichtet und auf das höhere Temperaturniveau T2 gebracht. Es findet kein Wärmeaustausch statt.
3-4: Isotherme Expansion. Das Gas expandiert bei konstanter Temperatur T2 und nimmt Wärme vom heissen Reservoir auf. Die aufgenommene Wärme ist
Q3,4 = T2 (S2 - S1)
4-1: Isentrope Expansion (reibungsfrei und adiabat) Das Gas expandiert isentrop unter Verrichtung von mechanischer Arbeit. Es findet kein Wärmeaustausch statt. Es befindet sich anschliessend wieder im Ausgangszustand.
Bild 1: Der Carnot Prozess im Temperatur Entropie Diagramm entspricht einem Rechteck
Der Prozess ist umkehrbar (reversibel), d.h. die vom warmen ins kalte Reservoir geflossene Wärme kann mit der bei diesem Vorgang gewonnenen Arbeit wieder hochgepumpt werden. Der Prozess läuft in entgegengesetzter Richtung ab (linkslaufend) und ist für Wärmepumpen und Kältemaschinen relevant.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ηc gibt das Verhältnis verrichteter Arbeit W zu zugeführter Wärme Q an.
ηc = W/Q3,4 = (T2 - T1) / T2
