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HEISSLUFTMOTOR
erneuert aus Studiengebühren
Vorbereitung:
Zustandsgrößen, thermodynamische Prozesse, Hauptsätze der Wärmelehre, Wärmekraftmaschinen, Wirkungsgrad, Prony'scher Zaum.
Literatur: Allgemeine Lehrbücher der Experimentalphysik;
spez. Literatur: Kalvius, Luchner, Vonach: Physik IV, Kap. 14.6 S. 323 ff. und ausführliche Betriebsanleitung (liegt beim Versuch aus).
Der Heißluftmotor (HLM) dient zur Demonstration eines thermodynamischen Kreisprozesses. Im Praktikumsversuch wird wassergekühlter Einzylinder-HLM nach Stirling verwendet (sehe Abb.1.0). Im Stirling’schen Kreisprozeß (siehe Abb.1.1) wechseln isotherme mit isochoren Prozessschritten ab.
Wird der HLM durch einen äußeren Antrieb angetrieben, kann er je nach Drehrichtung als Kältemaschine oder Wärmepumpe verwendet werden.
Technische Daten des HLM:
Kompressionsverhältnis 1:2 Hubraum 140 cm 3
Abb. 1.0 Abb. 1.1
Heißluftmotor als Kältemaschine oder Wärmepumpe Stirlingscher Kreisprozeß in schematischer Darstellung bei mechanischem Antrieb durch Experimentiermotor ( pV – Diagramm )
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Aufgaben:
A: Schriftlich vorzubereiten sind:
1. Geben Sie die Hauptsätze der Wärmelehre an und erklären Sie die vorkommenden Begriffe wie z.B. Zustandsgröße, Erhaltungsgröße, Innere Energie, Entropie, Wirkungsgrad usw.
2. Diskutieren Sie die Wirkungsweise einer Stirling-Maschine an Hand des pV-Diagramms. Geben Sie die Änderungen von Innerer Energie, zugeführter Wärme, geleisteter Arbeit für jeden Prozeßschritt und auch für den ganzen Kreisprozeß in analytischer Form an.
3. Erklären Sie mit Hilfe des pV-Diagramms die Funktionen der Stirling- Maschine als Kältemaschine und als Wärmekraftmaschine (Skizzen!).
B. Während des Praktikums:
ACHTUNG. Die Inbetriebnahme des HLMs sollte nur nach Absprache mit dem Betreuer erfolgen!
4.a) Betreiben Sie den HLM als Kältemaschine.
Dazu soll ca. 1 cm 3 Wasser abgekühlt und die Wassertemperatur als Funktion der Abkühlzeit gemessen werden (bis etwa -20°C). Starten Sie dazu CassyLab und laden das Programm 'kaelte'. Erklären Sie die Meßkurve. Bestimmen Sie die Kühlleistung der Kältemaschine und schätzen Sie damit die Schmelzwärme des Wassers ab. Vergleichen Sie mit dem Literaturwert und diskutieren Sie eventuelle Abweichungen.
4.b.) Betreiben Sie den HLM als Wärmepumpe.
Messen Sie dazu die Temperaturerhöhung von ca. 1 cm3 Wasser in Abhängigkeit von der Zeit (etwa 10 min) wie oben. Erklären Sie den Verlauf, insbesondere die unterschiedliche Steigung in der festen und flüssigen Phase.
Bestimmen Sie die Heizleistung der Wärmepumpe und schätzen Sie damit die Schmelzwärme von Wasser ab.
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5. Betreiben Sie den HLM als Wärmekraftmaschine, indem Sie mit einer Glühwendel das Wärmereservoir heizen (U=15 V, I=15 A).
a) Nehmen Sie das pV-Diagramm des zugrunde liegenden Kreisprozesses auf (Programm 'motor' laden). Das Potentiometer am Wegaufnehmer muss dabei so eingestellt werden, dass im oberen Totpunkt des Arbeitszylinders ein Volumen von etwa 50 Kubikzentimeter angezeigt wird; der verwendete Druckmesser misst nur relative Drücke, daher wird bei der Auftragung ein Umgebungsluftdruck von 1000hPa angenommen. Der Motor sollte vor der Messung etwa 10 min warmlaufen. Bestimmen Sie mit dem Drehzahlmesser auch die Drehzahl des Motors. Berechnen sie den Wirkungsgrad des HLMs, indem Sie durch geeignete Integration die pro Umlauf geleistete Arbeit W und die zugeführte Wärmemenge Q bestimmen (rechte Maustaste: Integral berechnen). Berechnen Sie die Leistung des HLMs und bestimmen Sie alternativ den Wirkungsgrad, indem Sie die zugeführte elektrische Leistung benutzen.
Diskutieren Sie den Unterschied!
b) Durch Abbremsen des HLMs mit einem Prony’schen Zaum sind abgegebene mechanische Leistung und daraus der effektive Wirkungsgrad zu bestimmen.
Diese Messung soll bei verschiedenen Drehzahlen (durch unterschiedlich starkes Abbremsen) gemacht werden. Stellen Sie die abgegebene mechanische Leistung des Motors sowie den effektiven Wirkungsgrad in Abhängigkeit von den Drehzahlen graphisch dar (mit Fehlerrechnung). Diskutieren Sie die Meßergebnisse, insbesondere den Unterschied zum oben bestimmten thermodynamischen Wirkungsgrad!
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