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Unterabschnitte

• • 3.4.0.1 Kühlschrank Hardware

Der Carnot-Zyklus wurde für die Energiegewinnung verwendet, aber wir können ihn auch in umgekehrter Richtung betreiben. Dann gibt es jetzt eine Nettoarbeit in das System und eine Nettowärmeabgabe an das System. Es wird eine Wärmemenge bei der höheren Temperatur abgeführt und eine Wärmemenge bei der niedrigeren Temperatur aufgenommen. Der erste Wert ist nach unserer Konvention negativ und der zweite positiv. Das Ergebnis ist, dass Arbeit an dem System verrichtet wird, dass Wärme von einer Quelle mit niedriger Temperatur entzogen und an eine Quelle mit hoher Temperatur abgegeben wird. Die Worte „niedrig“ und „hoch“ sind relativ, und die niedrige Temperaturquelle könnte ein überfülltes Klassenzimmer an einem heißen Tag sein, wobei die entzogene Wärme zur Kühlung des Raumes verwendet wird. Der Kreislauf und die Wärme- und Arbeitsübertragung sind in Abbildung 3.6 dargestellt. In dieser Betriebsart funktioniert der Kreislauf wie ein Kühlschrank oder eine Wärmepumpe. Was wir bezahlen, ist die Arbeit, und was wir bekommen, ist die entzogene Wärmemenge. Die Metrik für Geräte dieser Art ist die Leistungszahl, definiert als

Abbildung 3.6:Funktionsweise einer Carnot-Kältemaschine

Für einen Carnot-Zyklus kennen wir die Verhältnisse von Wärmezufuhr zu Wärmeabfuhr, wenn der Zyklus vorwärts läuft, und da der Zyklus umkehrbar ist, sind die Verhältnisse gleich, wenn der Zyklus rückwärts läuft. Die Leistungszahl ist also in Bezug auf die absoluten Temperaturen gegeben als

Diese kann viel größer als Eins sein.

Die gezeichneten Carnot-Zyklen basieren auf idealem Gasverhalten. Für verschiedene Arbeitsmedien werden sie jedoch anders aussehen. Wir werden ein Beispiel sehen, wenn wir Zweiphasensituationen diskutieren. Was unabhängig vom Medium gleich ist, ist der Wirkungsgrad für alle Carnot-Zyklen, die zwischen denselben zwei Temperaturen arbeiten.

3.4.0.1 Kühlschrank-Hardware

Typischerweise besteht das thermodynamische System in einer Kühlschrank-Analyse aus einem Arbeitsmittel, einem Kältemittel, das in einem Kreislauf zirkuliert, wie in Abbildung 3.7 dargestellt. Die innere Energie (und Temperatur) des Kältemittels wird durch die Geräte im Kreislauf abwechselnd erhöht und gesenkt. Das Arbeitsmittel ist an einem Punkt kälter als die Kühlluft und an einem anderen Punkt heißer als die Umgebung. So fließt die Wärme in die entsprechende Richtung, wie die beiden Pfeile in den Wärmetauschern zeigen.

Abbildung 3.7:Schema eines Haushaltskühlschranks

Ausgehend von der oberen rechten Ecke des Diagramms beschreiben wir den Prozess genauer. Zunächst wird das Kältemittel durch eine kleine Turbine oder ein Expansionsventil geleitet. In diesen Geräten wird vom Kältemittel Arbeit verrichtet, so dass seine innere Energie auf einen Punkt gesenkt wird, an dem die Temperatur des Kältemittels niedriger ist als die der Luft im Kühlschrank. Über einen Wärmetauscher wird Energie aus dem Inneren des Kühlschranks auf das kalte Kältemittel übertragen, wodurch die innere Energie des Innenraums gesenkt und die innere Energie des Kältemittels erhöht wird. Dann wird eine Pumpe oder ein Kompressor eingesetzt, um Arbeit am Kältemittel zu verrichten, die ihm zusätzliche Energie zuführt und so seine innere Energie weiter erhöht. Zum Antrieb der Pumpe oder des Verdichters wird elektrische Energie verwendet. Die innere Energie des Kältemittels wird bis zu einem Punkt erhöht, an dem seine Temperatur höher ist als die Temperatur der Umgebung. Das Kältemittel wird dann durch einen Wärmetauscher (oft Spulen auf der Rückseite des Kühlschranks) geleitet, so dass Energie vom Kältemittel auf die Umgebung übertragen wird. Dadurch wird die innere Energie des Kältemittels verringert und die innere Energie der Umgebung erhöht. An diesem Punkt werden die innere Energie des Kühlschrankinhalts und die Energie, die zum Antrieb des Kompressors oder der Pumpe verwendet wird, an die Umgebung abgegeben. Das Kältemittel fließt dann weiter zur Turbine oder zum Expansionsventil und wiederholt den Kreislauf.

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