Carnot-Wirkungsgrad

Der Carnot-Wirkungsgrad, auch Carnot-Faktor genannt, ist der höchste theoretisch mögliche Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie. Sein Name leitet sich ab vom Carnot-Prozess, einem vom französischen Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot erdachten idealen Kreisprozess, dessen Wirkungsgrad er beschreibt.

Theoretische Grundlage

Eine Wärmekraftmaschine entnimmt Energie in Form von Wärme $Q_{h}$ aus einem Wärmespeicher hoher Temperatur $T_{h}$ und gibt einen Teil davon als Nutzarbeit $W$ (z. B. in Form von mechanischer Arbeit) ab und den übrigen Teil als Wärme $Q_{n}$ in einen Wärmespeicher niedrigerer Temperatur $T_{n}$ . Ihr Wirkungsgrad $η$ ist definiert als Verhältnis der Nutzarbeit zu der aufgenommenen Wärmemenge:

η = W / Q_{h}

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird durch den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt. Dort, wo der Prozess die Wärme auf hohem Temperaturniveau entnimmt, tritt zwangsweise eine Abnahme der Entropie ein, bei der Abgabe auf niedrigem Temperaturniveau steigt sie. Da die Entropie bei von selbst ablaufenden Prozessen nicht abnimmt, ist damit der Anteil der Wärmeenergie vorgegeben, der nicht in Arbeit umgewandelt werden kann, sondern als Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau abgegeben werden muss.

Berechnung

Der Carnot-Wirkungsgrad $η_{c}$ berechnet sich aus dem Verhältnis der höchsten ( $T_{h}$ ) und der niedrigsten ( $T_{n}$ ) Temperatur des Prozesses nach der Formel:

η_{c} = \frac{T_{h} - T_{n}}{T_{h}} = 1 - \frac{T_{n}}{T_{h}}

mit der absoluten Temperatur $T$ in Kelvin.

Der Carnot-Wirkungsgrad ist umso höher, je größer $T_{h}$ und je kleiner $T_{n}$ ist. Da weder der absolute Nullpunkt (0 K) noch unendlich hohe Temperaturen erreicht werden können, ist ein Wirkungsgrad von 100 % ausgeschlossen.

In der Praxis entweicht von der hohen Temperatur immer ein Teil an die Umgebung und die untere Prozesstemperatur bleibt immer höher als die Umgebungstemperatur. Technisch werden je nach Kreisprozess Werte von über zwei Drittel des Carnot-Wirkungsgrades erreicht.

Beispiel

Der Carnot-Wirkungsgrad eines Prozesses, der zwischen 800 °C und 100 °C abläuft, beträgt:

η_{c} = 1 - \frac{100 + 273, 15}{800 + 273, 15} = 0,652 = 65, 2 %

Zusammenhang mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik

Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik muss bei einem spontan ablaufenden Prozess die Entropie insgesamt zunehmen.

Die Entropie der Umgebung bei der höheren Temperatur nimmt um

Δ S_{h} = - \frac{Q_{h}}{T_{h}}

ab, wenn die Wärmekraftmaschine bei der oberen Temperatur Wärmeenergie entzieht.

Umgekehrt nimmt die Entropie in der Umgebung bei der niedrigen Temperatur um

Δ S_{n} = \frac{Q_{n}}{T_{n}}

zu, wenn die Maschine dort Wärmeenergie abgibt.

Die Maschine selber hat nach einem Umlauf den gleichen Zustand und damit dieselbe Entropie, auch die frei gewordene mechanische/elektrische Energie enthält keine Entropie.

Da die Entropie zunehmen muss, gilt

Δ S_{gesamt} = Δ S_{h} + Δ S_{n} = - \frac{Q_{h}}{T_{h}} + \frac{Q_{n}}{T_{n}} > 0

Q_{n} > \frac{Q_{h} T_{n}}{T_{h}}

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Mechanisch oder elektrisch wird der Anteil der Energie genutzt, der nicht wieder als Wärme abgegeben wird, der Wirkungsgrad beträgt

η = \frac{W_{mech}}{Q_{h}} = \frac{Q_{h} - Q_{n}}{Q_{h}}

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Mit dem obigen Zusammenhang ergibt sich der Carnotwirkungsgrad:

η < \frac{Q_{h} - \frac{Q_{h} T_{n}}{T_{h}}}{Q_{h}} = 1 - 1 \cdot \frac{T_{n}}{T_{h}}

.

Bedeutung bei Kältemaschinen und Wärmepumpen

In Kältemaschinen und Wärmepumpen wird der entgegengesetzte Prozess betrieben, es wird mechanische (elektrische) Energie aufgewendet, um Wärmeenergie von niedrigen auf höhere Temperaturen zu heben.

Auch in diesem Fall gilt der zweite Hauptsatz, der Entropiegewinn bei der hohen Temperatur (Wärmeabgabe) muss größer als der Entropieverlust bei der niedrigen (Wärmeaufnahme) sein:

\frac{Q_{h}}{T_{h}} > \frac{Q_{n}}{T_{n}}

.

Daher beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad hier nicht die maximal erzielbare mechanische Energie, sondern die mindestens aufzuwendende:

\frac{W_{mech}}{Q_{h}} > 1 - \frac{T_{n}}{T_{h}}

.

Bei einer Wärmepumpe (WP) wird die auf dem oberen Temperaturniveau abgegebene Wärmeenergie genutzt, die Leistungszahl ( $ϵ_{WP}$ ) beträgt daher

ϵ_{WP} = \frac{Q_{h}}{W_{mech}} < \frac{1}{1 - \frac{T_{n}}{T_{h}}} = \frac{T_{h}}{T_{h} - T_{n}}

.

Bei einer Kältemaschine (KM) wird entsprechend das Verhältnis ( $ϵ_{KM}$ ) der bei niedriger Temperatur aufgenommenen Wärme zur aufgewendeten mechanischen Energie betrachtet:

ϵ_{KM} = \frac{Q_{n}}{W_{mech}} < \frac{Q_{h} \frac{T_{n}}{T_{h}}}{W_{mech}} < \frac{\frac{T_{n}}{T_{h}}}{1 - \frac{T_{n}}{T_{h}}} = \frac{T_{n}}{T_{h} - T_{n}}

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