Carnot-Prozess
Der Carnot-Prozess ist ein Kreisprozess von besonderer Bedeutung in der Thermodynamik. Er ist ein rein theoretischer Prozess. Seine Bedeutung besteht darin, dass er das Optimum angibt, das von keinem speziellen Kreisprozess, bei dem sich das Arbeitsfluid zwischen denselben Temperaturen bewegt, übertroffen werden kann. Der aus den Arbeitstemperaturen ermittelte Carnot-Wirkungsgrad (Carnot-Faktor) gibt an, welcher Anteil der zugeführten Wärme maximal in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Daran werden alle anderen, den speziellen Maschinenanlagen angepasste Vergleichsprozesse, z.B. der Otto-Prozess als Vergleichsprozess für den Ottomotor oder der Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess für das Dampfkraftwerk, gemessen.Der Prozess wurde von dem französischen Offizier, Ingenieur und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot entwickelt. Historisch begründeten Carnots Betrachtungen das wissenschaftliche Gebiet der Thermodynamik.
Beschreibung
oder Wärmepumpe; Der Drehrichtungspfeil gibt den zeitlichen Ablauf der einzelnen im T-s-Diagramm dargestellten Zustandsänderungen an ]]
Den Ablauf des Carnot-Prozesses kann man sich so vorstellen, dass ein Fluid (Gas oder Dampf) wechselweise mit einem Wärmereservoir von konstant hoher Temperatur (zur Aufnahme von Wärme) und einem Wärmereservoir mit konstant niedrigerer Temperatur (zur Abgabe von Wärme) in Kontakt steht, wobei es wechselweise durch Aufbringen mechanischer Arbeit verdichtet wird und unter Abgabe von mechanischer Arbeit wieder expandiert. Die Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener Wärme entspricht der vom Kreisprozess im T-S-Diagramm eingeschlossenen Fläche. Sie ist genau gleich der insgesamt gewonnenen mechanischen Arbeit. Das Gas erreicht nach vollständigem Durchlauf des Prozesses wieder den Ausgangszustand, d. h. alle Zustandsgrößen, wie Temperatur T, Druck p, Volumen V und innere Energie U sind damit wieder so groß, wie zu Beginn des Prozesses. Der Prozess ist als ideale Wärmekraftmaschine (rechtsdrehend im T-S-Diagramm), ideale Wärmepumpe oder Kältemaschine (linksdrehend) denkbar, wobei die im Wärmekraft-Prozess gewonnene technische Arbeit im Wärmepumpen-Prozess verlustfrei wieder eingesetzt werden kann, um die vorher an das kalte Wärmereservoir (Umgebung) abgegebene Wärme ? zusammen mit der aufzubringenden Arbeit (Rechteckfläche) ? an das heiße Wärmereservoir abzugeben. Aufgrund dieser Umkehrbarkeit wird der Prozess als reversibel bezeichnet. Der Prozess wäre mit einer periodisch arbeitenden Maschinenanlage nur unter besonders hohem Aufwand und auch nur angenähert realisierbar. Bezüglich eines Prozesses mit Gasen: Es gibt keine Verdichter und keine Expansionsmaschinen, die in einem Arbeitsgang auch die Wärmeübertragung ermöglichen, sodass die Temperatur dabei konstant bleibt. Bezüglich des Prozesses mit Nassdampf: Es gibt zwar Nassdampfturbinen, aber keine Verdichter, die Nassdampf zu Flüssigkeit komprimieren. Außerdem treten in allen Maschinen und bei allen Strömungsvorgängen Reibungsverluste auf.
Darstellung im TS-Diagramm
Der Carnot-Prozess besteht aus zwei isothermen und zwei isentropen Zustandsänderungen, die im T-S-Diagramm ein Rechteck bilden. Die Entropiezunahme ist in einem reversiblen Prozess mit der zugeführten Wärme und der absoluten Temperatur verknüpft über die Gleichung::Perpetuum Mobile der zweiten Art
In allen vier Phasen des Prozesses wird mechanische Energie erzeugt beziehungsweise verbraucht. Die insgesamt gewonnene mechanische Energie nach Durchlaufen des Zyklus ist nur von der zugeführten und abgeführten Wärmemenge abhängig. Die gewonnene mechanische Arbeit entspricht der grün hinterlegten Fläche im TS-Diagramm.
Bei Temperaturen ungleich 0 K liegt der Carnot-Wirkungsgrad immer unter 1. Das bedeutet, es gibt keine reale Maschine, die lediglich einem Reservoir Wärme entzieht und diese vollständig in Arbeit umsetzt. Eine Maschine, die bei vorgebenen Temperaturen der Wärmereservoirs einen Wirkungsgrad größer dem Carnot-Wirkungsgrad hätte, nennt man ein
*Zustandsänderung]
*[[Stirlingmotor
