Carnot-Prozess

Der Carnot-Prozess ist ein idealtypischer Kreisprozess, dem das Fluid in einer Wärmekraftmaschine folgen muss, um nach dem Durchlaufen des Prozesses den selben energetischen Zustand zu haben wie am Beginn des Prozesses. Der Prozess ist reversibel, d.h. die Richtung, in der der Prozess durchlaufen wird, ist umkehrbar. Der Carnot-Prozess ist ein wichtiger Grundprozess der Thermodynamik, er wird als idealer theoretischer Vergleichsprozess verwendet, um reale Prozesse zu untersuchen. Er ist ein Wärme-Kraft-Prozess. Er wurde von Nicolas Léonard Sadi Carnot eingeführt, um zu untersuchen, wie effizient Wärmekraftmaschinen (damals insbesondere Dampfmaschinen) sein können. Praktisch kann der Carnot-Prozess nicht verwirklicht werden.

Der Carnot-Prozess beruht auf der grundlegenden Beobachtung, dass Wärmeenergie, die beim Kontakt zweier Körper verschiedener Temperatur von einen Körper zum anderen fließt, für die Gewinnung mechanischer Energie endgültig verloren ist. Daher muss ein idealer Prozess solche Kontakte vermeiden.

Der Carnot-Prozess erreicht dies durch einen vierstufigen Prozess:

1. Ein Gas wird mit einem Wärmereservoir in Kontakt gebracht, beide haben dieselbe Temperatur T₁. Das Gas expandiert und entzieht dem Reservoir Wärme, indem dieses das Gas auf konstanter Temperatur hält. Einen solche Zustandsänderung bei konstanter Temperatur Vorgang nennt man isotherm. Bei der Expansion leistet das Gas Arbeit.
2. Das Gas wird vom Wärmereservoir getrennt und expandiert weiter. Eine solche thermisch isolierte reversible Zustandsänderung nennt man adiabatisch. Die Energie für die dabei geleistete Arbeit stammt aus dem Gas, welches sich daher abkühlt und danach die niedrigere Temperatur T₂ hat.
3. Das Gas wird mit einem zweiten (kälteren) Wärmereservoir der Temperatur T₂ in Kontakt gebracht und dann isotherm komprimiert. Dazu wird mechanische Arbeit benötigt und in Wärme umgesetzt, die an das Reservoir abgegeben wird.
4. Das Gas wird vom zweiten Wärmereservoir getrennt und adiabatisch weiter komprimiert. Die hierbei am Gas verrichtete Arbeit erwärmt dieses wieder auf die Temperatur T₁. Nach dem vierten Schritt muss sich das Gas wieder im Ausgangszustand befinden, weil nur dadurch ein Kreisprozess möglich ist, der periodisch fortgesetzt werden kann.

Die bei den ersten beiden Schritten gewonnene Arbeit ist größer als die bei den letzten beiden Schritten hineingesteckte Arbeit, so dass sich insgesamt ein Arbeitsgewinn ergibt. Jedoch kann nicht die gesamte dem wärmeren Reservoir entzogene Wärmeenergie in Arbeit umgesetzt werden, da im dritten Schritt Wärmeenergie ans kältere Reservoir abgegeben wird. Die Tatsache, dass man stets zwei Energiereservoirs braucht, um eine Wärmekraftmaschine zu betreiben, ist das wichtigste Ergebnis von Carnot. Eine periodisch arbeitende Maschine, die nur einem Reservoir Wärme entzieht und diese in Arbeit umsetzt, nennt man Perpetuum Mobile zweiter Art. Ein solches widerspräche dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Wird der Carnot-Prozess in umgekehrter Richtung durchlaufen, entzieht er dem kälteren Reservoir Wärme und führt sie dem wärmeren Reservoir (zusammen mit der in Wärme umgesetzten Arbeitsenergie) zu. Eine solche Vorrichtung nennt man Wärmepumpe. Wärmepumpen werden z.B. als Kühlaggregate oder zur energiesparenden Heizung von Häusern verwendet.

Der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses ist

 $\eta ={T_{1}-T_{2} \over T_{1}}=1-T_{2}/T_{1}.$

Jeder reversible Kreisprozess hat genau denselben Wirkungsgrad wie der Carnot-Prozess, wenn die mittleren thermodynamischen Temperaturen bei der Wärmezufuhr und bei der Wärmeabfuhr mit denen der Isothermen im Carnotprozess übereinstimmen. Hätte er einen anderen, so könnte man den als Motor weniger effizienten Prozess als (effizientere) Wärmepumpe betreiben, die die vom anderen Prozess ans kältere Reservoir abgegebene Wärme wieder ins wärmere Reservoir hochpumpt; da dies weniger Arbeit bräuchte als der als Motor effizientere Kreisprozess liefert, hätte man auf diese Weise ein Perpetuum Mobile zweiter Art gebaut.

Carnot-Prozess beim Flammenfresser genannten Vakuummotor:

Datei:CARNOT-1 Carnot-Prozess Vakuum-Motor.jpg