Wärmekraft­­­maschinen

Wärmekraftmaschinen sind essentielle Geräte, die thermische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Ihre Funktionsweise ist vor allem in der Technik von Bedeutung, jedoch gibt es auch in der Medizin Anwendungen. Für den MedAT wird ein grundlegendes Verständnis dieser Maschinen empfohlen, um physikalische Konzepte zu verstehen.

Grundlegende ­­­Begriffe

Funktionsweise
Wärmekraftmaschinen funktionieren nach einem einfachen Prinzip: Sie nehmen Wärme auf, wandeln einen Teil davon in Arbeit um und geben den Rest als Abwärme frei. Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Energie wird in nutzbare Arbeit umgewandelt. Ein klassisches Beispiel ist der Otto-Motor, der in vielen Autos verwendet wird. Hier wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, wodurch es sich ausdehnt und den Kolben nach unten drückt, was letztlich die Räder antreibt. Die chemische Energie (Kraftstoff) wird hier in mechanische Arbeit umgewandelt. 

Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der abgeführten Energie zur zugeführten Energie. Die Formel für den Wirkungsgrad $\eta$ lautet:

$\eta = \frac{E_{\text{ab}}}{E_{\text{zu}}}$

wobei $E_{ab}$ die abgeführte Energie und $E_{zu}$ die zugeführte Energie ist. Wärmekraftmaschinen wie der Otto-Motor haben in der Praxis einen begrenzten Wirkungsgrad, da nicht die gesamte zugeführte Energie in Arbeit umgewandelt werden kann. Ein Teil geht als Abwärme verloren.

Wie hängen die Begriffe zusammen?

All diese Konzepte sind eng miteinander verknüpft. Die Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine bestimmt ihren Wirkungsgrad, der wiederum davon abhängt, wie effizient die Maschine die zugeführte Energie in Arbeit umwandeln kann. Ein Otto-Motor ist ein typisches Beispiel, bei dem die thermische Energie aus dem Kraftstoff nicht vollständig in Bewegung umgesetzt wird.

MedAT-Beispielfrage

Welche der folgenden Aussagen über Wärmekraftmaschinen sind korrekt?

1. Wärmekraftmaschinen wandeln thermische Energie vollständig in mechanische Arbeit um.
2. Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von abgeführter zu zugeführter Energie an.
3. Ein Otto-Motor nutzt die chemische Energie des Kraftstoffs, um mechanische Arbeit zu erzeugen.
4. Abwärme entsteht bei Wärmekraftmaschinen, da nicht die gesamte zugeführte Energie in Arbeit umgewandelt wird.

A) 1 und 2 sind richtig.
B) 1 und 3 sind richtig.
C) 2 und 4 sind richtig.
D) 2, 3 und 4 sind richtig.
E) Alle sind richtig.

Die Antwort findest du im Video.

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Insider-Tipp von Benjamin (MasterClass-Tutor)

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