Thermodynamisches System

Um thermodynamische Prozesse zu beschreiben muss man sich zunächst darauf verständigen was nun genau beschrieben werden soll. Dies führt zum Begriff des sogenannten thermodynamischen Systems (kurz: System), innerhalb dessen thermodynamische Zustandsänderungen ablaufen und darin beschrieben werden. Dabei bezeichnet man als System ganz allgemein einen Raumbereich innerhalb dessen sich ein Gas in verschiedenen Zuständen befindet. Dieses System wird unter anderem durch die thermodynamischen Zustandsgrößen wie Druck, Volumen, Temperatur und Masse beschrieben.

Thermodynamische Systeme, Motor-Zylinder, System-Grenze, Definition

Interaktive Abbildung: Motorzylinder als thermodynamisches System

Im Falle eines Verbrennungsmotors ist das thermodynamische System im einfachsten Fall auf den Raumbereich im Inneren des Zylinders beschränkt. Das System ist in diesem Fall durch die Zylinderinnenfläche und die Kolbeninnenfläche begrenzt. Eine solche Grenze, die das thermodynamische System von der Umgebung trennt, wird auch als Systemgrenze bezeichnet [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung]. Die Systemgrenze bzw. das thermodynamische System ist - wie in diesem Fall - nicht notwendigerweise starr. Verkleinert oder vergrößert der bewegliche Kolben das Gasvolumen, so verändert sich auch die Systemgrenze des thermodynamischen Systems entsprechend [fahre hierzu mit der Maus über die untere Abbildung].

Thermodynamische Systeme, Motor-Zylinder, System-Grenze, Definition

Interaktive Abbildung: System und Systemgrenze

Über die Systemgrenze hinweg können die Prozessgrößen Wärme und Arbeit umgesetzt werden, sodass sich der Zustand des thermodynamischen Systems entsprechend ändert. So wird dem System (d.h. dem als Gas betrachteten Treibstoff-Luft-Gemisch) während dem Verbrennungsvorgang Wärme zugeführt und führt somit zu einer Temperatur- und Druckerhöhung. Gleichzeitig wird durch den dabei hervorgerufenen Expansionsvorgang (die heißen Gase drücken durch den großen Druck den Kolben nach unten) Arbeit verrichtet, d.h. das Gas gibt Arbeit über die Systemegrenze nach außen ab. Dabei vergrößert sich das Gasvolumen und die Temperatur sowie der Druck nehmen ab.

Bei einem Mantelstromtriebwerk zeigt sich die Bedeutung der Systemgrenze noch deutlicher. So teilt sich bei diesem Triebwerkstyp der angesaugte Luftstrom zunächst in einen Kernstrom (roter Pfeil) und einen Mantelstrom (blauer Pfeil) auf. Der Kernstrom wird sozusagen vom Matenlstrom ummantelt, was diesem Triebwerkstype dessen Namen verleiht. Der Kernstrom wird durch das Kerntriebwerk und die Brennkammer geleitet und sorgt für den Antrieb des Triebwerks, während der Mantelstrom durch das Rückstoßprinzip den hauptsächlichen Vortrieb mit etwa 85 % erzeugt.

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Abbildung: Mantelstromtriebwerk als thermodynamisches System

Je nachdem wie die Systemgrenze nun gelegt wird, zeigen sich ganz unterschiedliche Beschreibungen. Im ersten Fall wird lediglich die thermodynamische Änderung des Mantelstroms beschrieben (der durch den sogenannten Bypass führt), während im zweiten Fall nur der thermodynamische Prozess des Kernstroms beschrieben wird. Die Systemgrenze kann aber auch nur um die Brennkammer gelegt werden. In diesem Fall wird dann lediglich der thermodynamische Prozess des Kernstroms innerhalb der Brennkammer beschrieben.

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Abbildung: Bypass als thermodynamisches System

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Abbildung: Kerntriebwerk als thermodynamisches System

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Abbildung: Brennkammer als thermodynamisches System

Je nachdem wie das thermodynamische Systeme gewählt wird bzw. welche Randbedingungen zugrunde gelegt werden, können diesen in unterschiedliche Klassen eingeteilt werden. Nachfolgend werden die jeweiligen Systeme kurz vorgestellt und ausgewählte Systeme in den Hauptabschnitten näher diskutiert.

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