Dampfturbine - Wirklich eine "Energieumwandlung"?

Euler · Gast

Meine Frage:
Im Unterricht haben wir letztens eingehend die Dampfturbine behandelt. Man spricht hier ja von einer Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie. Seit kurzem geistert mir jedoch eine Überlegung im Kopf herum, die dieser Aussage vollkommen widerspricht, nämlich Folgende:

Die Wärmeenergie, die dem Wasserdampf in der Turbine hinzugeführt wird, dient ja lediglich zur Druckerhöhung. Diese lässt sich ja mit dem Gasgesetz beschreiben. Dieser aufgebaute Druck muss ja irgend eine Form von Energie sein(1. Frage, von was für einer Energie spricht man hier. Druckenergie scheint, wie ich nach längerem Googeln entnehme, kein gebräuchlicher Begriff zu sein). Wenn sich der Wasserdampf nun ausdehnt, verrichtet er ja mechanische Arbeit. Der Druck lässt nach. Unsere Energie von vorhin wurde also in kinetische Energie umgewandelt.

Aber: Die Wärmeenergie hat sich dabei doch überhaupt nicht verändert und der Wasserdampf ist immer noch gleich heiß.(Gasgesetz: p*V=T*R*n Volumen nimmt zu, Druck ab, Temperatur, R und n bleiben gleich. Es wurde also eigentlich keine Wärmeenergie umgewandelt, oder?

Ich gehe hier einfach mal von einem idealen System aus, in dem keine Energie durch Reibung oder Abwärme verloren geht.

Meine Ideen:
Erstmal entschuldige ich mich hier für das mangelhafte Wissen eines 10. Klässlers.

Mir sind bis jetzt folgende Ansätze eingefallen, warum es doch eine Umwandlung sein könnte:

Die Temperatur und damit auch die Wärmeenergie nimmt bei der Ausdehnung proportional zum Druck ab..

Man spricht lediglich von einer Umwandlung der Temperaturdifferenz in Druckdifferenz und es handelt sich einfach nur um eine ungenaue Formulierung.

Tut mir leid, dass ich euch zu so später Stunde noch mit solchen Fragen nerve, aber es geht mir einfach nicht aus dem Kopf. Danke im Vorraus, Euler.

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich versuchs mal in relativ anschaulichen Worten:

Wenn du Wasserdampf erwärmst, ohne dass du ihm erlaubst, sich groß auszudehnen, dann steigt ja der Druck in diesem Wasserdampfgas. Das liegt daran, dass Erwärmung bewirkt, dass die Teilchen schneller hin und her durch die Gegend flitzen. Und dementsprechend prasseln die schnelleren Teilchen auch heftiger gegeneinander und gegen die Gefäßwände, und üben daher einen größeren Druck aus.

Wenn man diesen Dampf nun durch eine Turbine schickt und ihn diese Turbine antreiben lässt, dann geben dabei die schnellen Teilchen des heißen Wasserdampfes einen Teil ihrer "Durch-die Gegend-Flitz-Energie" (Wärmeenergie in Form von kinetischer Energie der Teilchen, die mittlerweile gemeinsam in eine Richtung in dem Rohr fließen, durch das der Dampf vom Heizkessel zur Turbine geleitet wird) an die Turbine ab: Sie prasseln gegen die Schaufelräder der Turbine und setzen sie dabei in Bewegung. Dabei werden die Schaufelräder schneller, und die Wasserdampfteilchen langsamer. Also nehmen die Temperatur und der Druck dabei ab.

Helfen diese Beschreibungen schon ein bisschen weiter?

TheBartman · Anmeldungsdatum: 09.07.2009 Beiträge: 482

Also jetzt muss ich mal nachhaken, ich hoffe ich verwirre niemanden.

Die Energie, die an die Turbine übertragen wird, kommt - meiner Meinung nach - von der kinetischen Energie des Wasserdampfes. Und diese wird freigesetzt durch eine Entspannung, also von viel Druck zu wenig Druck.

Die thermische Energie, also das "durch-die-Gegend-flitzen" wirkt ja in alle Richtungen, also auch rückwärts, dürfte also die Vorwärtsbewegung wieder ausgleichen.

Außerdem würde eine Turbine mit einem kalten Gas, welches man entspannt schlechter laufen als mit einem heißen. Ist das so?

Also nach meiner Meinung greift die thermische Energie hier nur bei der Erzeugung des Wasserdampfes, also vor der eigentlichen Turbine und hat mit dem Antrieb dieser nichts (oder nur sehr weig) zu tun.

Ich lasse mich aber gern eines besseren belehren, sollte ich im Irrtum sein.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Die ungerichtete thermische Bewegung der Teilchen ist nicht weg, wenn die Teilchen auf die Turbine treffen. Aber sie wurde umgelenkt in eine gerichtete Bewegung der Teilchen in dem Rohr, das zur Turbine führt, weil die Teilchen aus dem Heizkessel in diese eine Richtung des Rohres gezielt entweichen können.

Was die Turbine antreibt, sind also schon die bewegten Teilchen aus dem Heizkessel, nur eben in gerichteter Form, weil sie durch das Rohr da hin gelaufen sind.

Ob der Druck dazu schon vor der Turbine niedriger geworden ist, oder vielleicht vor der Turbine noch hoch ist und eher erst nach der Turbine geringer (oder beides smile

), das ist dagegen dann schon eher eine Detailfrage, die man fürs grundlegende Anfangsverständnis vielleicht eher erstmal noch nicht zu klären oder zu besprechen braucht.

TheBartman · Anmeldungsdatum: 09.07.2009 Beiträge: 482

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Na, wenn sie gerichtet ist und das ganze schon in einem Rohr zur Turbine strömt, dann nennt man den "gerichteten" Anteil davon wahrscheinlich eher kinetische Energie.

Am Prinzip "Heizkessel heizen, Teilchen bewegen sich mehr, Dampf durch eine Röhre zur Turbine leiten, Teilchen strömen zu einem größeren Teil gerichtet durchs Rohr, Teilchen stoßen gerichtet gegen die Turbine und treiben die an" ändern diese Bezeichungskonventionen wenig.

TheBartman · Anmeldungsdatum: 09.07.2009 Beiträge: 482

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

@ bartmann:

vielleicht ein paar hilfreiche gedanken:

ein rohr (hochdruckseite), turbine, ein zweites rohr gleichen durchmessers (niederdruckseite), kontinuierlicher betrieb

damit die teilchen n/zeit der hochdruckseite kontinuierlich fliesen koennen, muss gelten n(zufluss) = n (abfluss)
nun ist der druck hochdruckseitig hoeher, weshalb gelten muss V, molar(hochdruck) < V, molar (niederdruck)...
..woraus unmittelbar folgt, meiner ansicht nach, dass die MAKROSKOPISCHE geschwindigkeit des gaskorpers "richtung ausgang" i.s.v. "liter/sekunde" niederdruckseitig hoeher sein muss
--> die hochdruckseiihge kinetische gasteilchen bewegungsverteilung wird veraendert, indem allen gasteilchen eine zusaetzliche geschwindigkeitskomponente (natuerlich maxwell-bolzmann-verteilt) in richtung ausgang superpositioniert wird.

gleichzeitig kuehlt das gas bei der turbinenpassage jedoch ab, im allereinfachsten fall (also keine leistungsetnahme) i.s. einer adiabatischen dekompression.
diese abkuehlung betrifft alle thermisch angeregten freiheitsgrade, also sowohl translation wie vibration wie rotation in toto: des ist eine andere fromulierung fuer "thermische energie"
--> die thermische energie bedient die kinetische energie des niederdruck-gaskoerpers
--> thermische energie --> kinetische energie

... und zusaetzlch klemmt sich halt die turbine nochmal dazwischen und bedient sich aus der geichen quelle, bis eben max. zu Carnot

ist das so besser vorstellbar?

gruss

ingo