Du willst endlich wissen was der Carnot-Wirkungsgrad eigentlich ist? Dann bist du hier genau richtig, denn damit beschäftigen wir uns in diesem Artikel
Inhaltsübersicht
Massenbilanz und Massenstrom
Ein Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der Leistung des realen Prozesses zu der des idealen Prozesses. Der Carnot-Wirkungsgrad, auch Carnot-Faktor genannt, beschreibt den Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie. Man nennt dies auch einen Wärmekraftprozess. Aber was ist jetzt ein solcher Wärmekraftprozess?
Beispiel Motorkolben
Stellen wir uns zunächst einen Kolben im Auto vor. Nun führen wir dem Kolben das Luft-Kraftstoffgemisch zu, wodurch eine Verbrennung im Kolben stattfindet. Bei der Verbrennung entsteht Wärme und folglich steigt der Druck. Wir erzeugen also durch Wärme eine größere Kraft.
Wir definieren den Carnot-Wirkungsgrad
jetzt als:
Was bedeutet das nun?
Wenn wir die Formel genauer betrachten erkennen wir:
Je kleiner der Quotient aus der Ablufttemperatur 
und der Zulufttemperatur 
, desto größer der Wirkungsgrad.
Für den Kolben heißt das: Führen wir Wärme mit einer Temperatur von 300 Grad Celsius zu und mit 250 Grad Celsius ab, erhalten wir einen Wirkungsgrad von:
Studyflix vernetzt: Hier ein Video aus einem anderen Bereich
Umrechnung Grad Celsius in Kelvin
Leider ist diese Rechnung aber so noch nicht ganz richtig, weil wir immer mit der absoluten Temperatur und damit in Grad Kelvin rechnen müssen. Für die Umrechnung in Grad Kelvin musst du einfach 273,15 K zu der Temperatur in Celsius addieren. Das Ganze sieht dann so aus:
Um den Wirkungsgrad zu maximieren, gilt es also die Wärme bei möglichst hoher Temperatur zuzuführen und bei möglichst niedriger Temperatur abzuführen und damit möglichst viel Energie zu nutzen.
Um dies zu veranschaulichen, nehmen wir nun an, die Temperatur wird mit nur noch 100 Grad abgeführt. Dies wirkt sich natürlich auch auf den Wirkungsgrad aus. Wir erhalten:
Der Wirkungsgrad hat sich gegenüber dem vorherigen Beispiel also erheblich verbessert und beträgt nun 34,89%.
So weit so gut! Nun weißt du wie man den Carnot-Wirkungsgrad für Wärmekraftprozesse bestimmt. In den folgenden Videos werden wir uns noch weitere Wirkungsgrade anschauen.
Carnot-Wirkungsgrad — häufigste Fragen
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Carnot-Wirkungsgrad — häufigste Fragen
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Was heißt „Carnot“?„Carnot“ ist der Nachname des französischen Physikers Sadi Carnot, nach dem der Carnot-Wirkungsgrad benannt ist. Der Begriff hat keine eigene wörtliche Bedeutung wie ein Fachwort, sondern kennzeichnet, dass es um das ideale Grenzmodell geht, das auf Carnots Arbeit zurückgeht.
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Was besagt das Carnot-Prinzip?Das Carnot-Prinzip besagt, dass keine Wärmekraftmaschine, die zwischen zwei festen Temperaturen arbeitet, einen höheren Wirkungsgrad erreichen kann als eine ideale, verlustfreie Carnot-Maschine. Der maximal mögliche Wirkungsgrad hängt deshalb nur von der Temperatur der Wärmezufuhr und der Wärmeabfuhr ab.
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Warum ist der Wirkungsgrad nie 100 Prozent?Der Wirkungsgrad wird nie 100 %, weil bei einem Wärmekraftprozess immer ein Teil der zugeführten Wärme an eine kältere Umgebung abgegeben werden muss und nicht vollständig in Arbeit umwandelbar ist. Ein Wirkungsgrad von 100 % würde bedeuten, dass keine Wärmeabfuhr nötig ist, was nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht möglich ist.
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Warum rechnet man beim Carnot-Wirkungsgrad mit Kelvin und nicht mit Grad Celsius?Beim Carnot-Wirkungsgrad rechnet man mit Kelvin, weil das Temperaturverhältnis nur mit absoluten Temperaturen sinnvoll ist. Grad Celsius haben einen willkürlichen Nullpunkt, daher verfälscht der gleiche Offset in Zähler und Nenner den Quotienten. Zum Beispiel ist 0 °C nicht „keine Wärme“, sondern 273,15 K.
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Thermodynamik verstehen
Der Carnot-Wirkungsgrad ist ein Grundbegriff der Thermodynamik und spielt bei Wärmekraftmaschinen eine zentrale Rolle. Wer sich mit Thermodynamik beschäftigt, betrachtet Wärme, Arbeit und Temperatur als Energieformen und setzt sie in einfachen Modellen zueinander in Beziehung. So ordnest du ein, warum es in echten Maschinen Grenzen gibt und welche Faktoren die maximale Energieausbeute bestimmen. Weitere Videos dazu findest du in unserem Ingenieurwissenschaftenbereich.