Niedrigenergiehaus von außen

Adiabatische Kompression und Expansion: Hintergrundwissen bei Buderus

 

Für die Funktion von Wärme- und Kältemaschinen spielt das Verhalten von Gasen bei Verdichtung und Ausbreitung eine zentrale Rolle. Die Unterscheidung von isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen hat eine große Bedeutung bei der physikalischen Beschreibung solcher Maschinen.

Die Begriffe bezeichnen in der Theorie absolute Grenzfälle, während in der Praxis häufig versucht wird, den Prozess an eines dieser Ideale anzunähern. Adiabat lässt sich als "wärmedicht" übersetzen: Im adiabaten Idealfall gibt es keinen Wärmeaustausch zwischen dem betrachteten System und seiner Umwelt. Der idealisierte Gegensatz ist die isotherme Zustandsänderung: Über ideal wärmeleitende Grenzflächen wird bei so beschriebenen Prozessen die entstehende Wärme vollständig an die Umgebung abgeführt.

 

 

Volumenarbeit in zwei Richtungen

Mit Hilfe der Adiabatengleichung und dem für das jeweilige Gas konstanten Adiabatenexponenten lassen sich Aussagen über das Verhalten eines Systems oder einer Anlage treffen. So lässt sich berechnen, wie viel Energie sich mit einer Wärmemaschine durch Änderung von Druck und Temperatur eines Gases gewinnen lässt. In der Theorie kann die so gewonnene Energie Arbeit verrichten und zum Beispiel den Kolben eines Motors bewegen.

In die entgegengesetzte Richtung geht die Frage: Wie viel Arbeit benötigt die Kompression? Wie viel Energie ist notwendig, um Wärme über ein Gas als Trägermedium von einem Ort zum anderen zu transportieren?

 

Die Praxis kennt keine vollständig reversiblen Prozesse

Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Unterscheidung zwischen reversiblen und irreversiblen Zustandsänderungen. In einer isentropen (adiabat-reversiblen) Zustandsänderung können sich Temperatur, Volumen und Druck ändern, während die Entropie des Systems vollständig konstant bleibt.

Je nach Richtung des Prozesses wird entweder Wärme in nutzbare Arbeit umgewandelt oder durch Einsatz von Arbeit Wärmeenergie gewonnen. Die entstehenden Zustände lassen sich in einem reversiblen Prozess verlustfrei in den Ursprungszustand zurückführen. Neben der Gesamtenergie bleibt dabei auch das Verhältnis von Exergie und Anergie konstant. In der Praxis ist ein solcher Prozess durch unvermeidbare Verluste bei der Energieumwandlung nicht erreichbar.

 

 

Adiabatische Prozesse in der Anwendung

Theoretisch ließe sich durch die Kombination isothermer und adiabatischer Prozesse in einem Carnot Kreislauf Energie gewinnen. Die Anwendung in Form einer Wärmekraftmaschine ist in der Praxis aber nur in grober Näherung und mit großem Aufwand möglich. Daher ist diese Einsatzmöglichkeit praktisch nicht relevant.

Eine wichtige Anwendung des Prinzips findet sich in Kältemaschinen und Wärmepumpen. In diesen Anlagen müssen zentrale Umwandlungsschritte annähernd adiabatisch gestaltet sein, um maximale Wirkungsgrade zu erreichen.

Ein weiterer Anwendungsfall ist die adiabatische Kühlung. Dabei wird Abluft über verdunstendes Wasser geleitet und damit gekühlt. Durch den vorhandenen Wärmetauscher kann der entstehende Temperaturunterschied die Zuluft abkühlen, ohne dass dafür zusätzlich Energie eingesetzt wird. Nach einem ähnlichem Prinzip arbeitet die adiabate Luftbefeuchtung, wobei hier Kühlung und Erhöhung der Luftfeuchtigkeit zusammenfallen.

 

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