Der umgekehrte Carnot-Zyklus: Ein Kühlschrank

1 · Vorhersagen

Wenn man den Carnot-Zyklus rückwärts laufen lässt, verwandelt sich ein Motor in einen Kühlschrank – das Netzwerk geht hinein, anstatt herauszukommen. Nimmt das Gas immer noch Wärme aus dem Kältereservoir auf, so wie ein echter Kühlschrank Wärme aus seinem Inneren entzieht?

• Nein – durch die Umkehrung des Kreislaufs wird auch umgekehrt, welches Reservoir Wärme aufnimmt.
• Ein umgekehrter Zyklus tauscht mit keinem der beiden Reservoire Wärme aus.
• Ja – der umgekehrte Zyklus absorbiert Wärme von der kalten Seite und gibt mehr Wärme an die heiße Seite ab, indem er die zugeführte Arbeit dafür nutzt.

2 · Aufbauen

1. Öffnen Sie die Preset „Carnot-Kältemaschine“ und drücken Sie Zurücksetzen. Dieselben 4 Teilschritte wie beim Carnot-Zyklus laufen in umgekehrter Reihenfolge ab.
2. Aktivieren Sie die Arbeitsanzeige pro Teilschritt sowie die COP-Anzeigen für Kühlung/Heizung.
3. Lesen Sie für jeden Abschnitt des Zyklus (1 bis 4) das Zielvolumen des Abschnitts und die vom Gas während dieses Abschnitts geleistete Arbeit ab.

3 · Daten sammeln

Skizzieren Sie das P-V-Diagramm und zeichnen Sie die Teilschritte der Reihe nach nach. Vergleichen Sie die Bewegungsrichtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) mit dem Diagramm des Carnot-Zyklus-Experiments.

4 · Auswerten

1. Summieren Sie die Arbeitswerte Ihrer 4 Teilschritte — die Summe (die vom Gas geleistete Nettoarbeit) sollte negativ ausfallen, was bedeutet, dass dem Gas Nettoarbeit zugeführt werden muss. Berechnen Sie den Kühl-COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 und den Heiz-COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
2. Vergleichen Sie hier die Reihenfolge der Teilschritte mit der des Carnot-Zyklus. Erklären Sie, wie allein die Umkehrung der Reihenfolge derselben 4 Teilschritte den Zyklus von einer Wärmekraftmaschine (Nettoarbeit nach außen) in einen Kühlschrank (Nettoarbeit hinein) umkehrt.

5 · Vertiefen

1. Ein Kühl-COP von 1.0 bedeutet, dass der Kühlschrank für jede 1 J zugeführter Arbeit 1 J Wärme aus dem kalten Raum transportiert. Ein Heiz-COP von 2.0 (Wärmepumpenmodus) bedeutet, dass pro 1 J Arbeit 2 J Wärme an den warmen Raum abgegeben werden. Erklären Sie, warum COP_heat für die gleichen Reservoire immer genau um 1 größer ist als COP_cool.
2. Im Gegensatz zum Motorwirkungsgrad (immer ≤ 1) kann der COP 1 überschreiten – das stellt keinen Verstoß gegen die Energieeinsparung dar. Erklären Sie, warum COP > 1 möglich ist: Die zusätzlich gelieferte Energie stammt aus der Kühlung des Reservoirs und wird nicht aus dem Nichts erzeugt.

Die Physik hinter diesem Experiment

← Zurück zum Experiment

138 kostenlose druckbare Physik-Arbeitsblätter