Theorie Wärme

Komprimieren und Expandieren

Eine Velopumpe fühlt sich schon nach wenigen Hüben merklich wärmer an. Man könnte nun meinen, dass beim Verdichten der Luft grosse Mengen Entropie erzeugt werden. Dem ist aber nicht so. Wohl wird beim Komprimieren der Luft wie bei jedem realen Prozess Entropie produziert, doch ist die Ursache für den Temperaturanstieg bei einer speziellen Eigenschaft der Luft zu suchen. Luft kann wie jedes Gas Entropie nicht nur temperaturmässig sondern auch noch volumenmässig speichern. Drückt man die Luft zusammen, verringert sich ihr volumenmässiges Speichervermögen. Diese Verminderung im Volumen führt dann direkt zu einer Erhöhung der Temperatur. Bildlich gesprochen wird bei der Kompression eines Gases die Entropie vom Volumen auf die Temperatur umgelagert.

Verbrennungsmotoren nutzen den umgekehrten Prozess. Im Verbrennungsprozess wird sehr viel Entropie bei hoher Temperatur erzeugt. Weil danach der Kolben, der den Brennraum abschliesst, durch die heissen Gase nach aussen gedrückt wird, kann sich die Entropie auf ein grösseres Volumen verteilen. Infolge dieser "Entropieverdünnung" sinkt die Temperatur der Gase. In andern Wärmekraftmaschinen (WKM) wie Dampf- oder Gasturbinen spielt sich etwas ähnliches ab: heisse Dämpfe oder Gase dehnen sich bei etwa gleich bleibender Entropie aus und werden so kälter. Im Idealfall (keine Reibung und kein Wärmeaustausch mit der Umgebung) bleibt die Entropie der sich ausdehnenden Gase konstant. In der Thermodynamik spricht man dann von einer isentropen Expansion.

"Ein Verbrennungsmotor wandelt doch Wärme in Arbeit um!?" In dieser Form ist die Aussage sicher falsch. Korrekt formuliert wird beim Ausfahren des Kolbens ein Teil der inneren Energie des Gases in Form von Arbeit abgeführt. Wie überall in der Physik gibt es auch in der Thermodynamik neben der dynamischen Formulierung eine zweite Betrachtungsweise, bei der man mit Hilfe der Energie operiert. Diese mehr buchhalterische Sicht kann aber den eigentlichen Vorgang nicht erklären. Um das thermodynamische Verhalten eines homogenen Stoffes zu verstehen, muss man wissen, was mit der Entropie und dem Volumen passiert. Entropie und Volumen legen gemeinsam die Höhe der Temperatur und die Grösse des Druck fest.
Viertaktmotor