Kreisprozesse

Kreisprozesse

Wärmekraftmaschinen laden Energie von der Entropie auf einen zweiten Energieträger um. Umgekehrt übertragen Wärmepumpen Energie von einem primären Träger auf die Entropie, indem sie diese aus einem kalten Gebiet in ein wärmeres fördern. Doch nur ganz wenige Wärmekraftmaschinen wie etwa der Stirlingmotor lassen sich im Rückwärtslauf als Wärmepumpe einsetzen. Der Grund für diese Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) liegt bei der Entropieproduktion. Wärmekraftmaschinen arbeiten mit Entropie, die in der unmittelbaren Umgebung produziert (Kohl- oder Kernkraftwerk, Dampfmaschine) oder direkt in der Maschine (Gasturbine, Verbrennungsmotor) erzeugt wird. Wollte man die Arbeitsweise dieser Maschinen umkehren, müsste Entropie vernichten, was aber die Natur unter keinen Umständen zulässt.

Das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschinen ist entweder immer gasförmig (Gasturbine, Verbrennungsmotor) oder flüssig und gasförmig (Dampfmaschine, Kernkraftwerk). Oft werden am Schluss der Prozessführung die kalten Gase, die viel Entropie und entsprechend wenig Energie enthalten, in die Umgebung entlassen. Wärmepumpen arbeiten mit Stoffen, die im Kaltbereich verdampfen und im heissen wieder kondensieren, ohne die Maschine je zu verlassen. Dennoch tritt auch hier an verschiedenen Stellen zum Teil bewusst in Kauf genommene Entropieproduktion auf.

Idealisierend wird nun angenommen, dass das Arbeitsmedium dauernd im Bilanzgebiet drin bleibt (geschlossenes System) und nur Gleichgewichtszustände durchläuft (ideale Prozessführung). Diese Annahmen lassen keine Entropieprodukion mehr zu. Man spricht dann auch von reversibler Prozessführung, weil die Erhaltung der Entropie die Umkehrung des Prozesses in der Zeit garantiert.

Die ideale Prozessführung (reversibler Ersatzprozess) erlaubt eine quasistatische Analyse, weil der Entropie- und Energiegehalt des Arbeitsmediums nur noch von dessen Temperatur und Volumen bzw. Druck abhängt. Modelliert man die idealen Prozesse mit Hilfe des Carnotors, kann der ganze Kreisprozess rechnerisch simuliert werden.