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  Aggregatzustände




Sie spielen an den verschiedensten Stellen der Kfz-Technik eine z.T. große Rolle. Wenn bei Ihrem Auto z.B. durch häufiges, scharfes Bremsen bergab die Bremsflüssigkeit siedet, treten Sie beim nächsten Mal vielleicht ins Leere. Oder die Kavitation des Dieselkraftstoffs, deren (gleiche) Masse bestimmte Einspritzpumpen deutlich mehr Volumen zur Verfügung stellen und sie dabei (ohne entscheidende Temperaturerhöhung) vom flüssigen in den gasförmigen Zustand ziehen.

Daran mag man erkennen, dass es bei festen und flüssigen Stoffen feste Volumengrenzen gibt, die im gasförmigen Zustand aufgehoben sind. Übrigens gibt es für jeden Stoff die Möglichkeit, in einer der drei Aggregatzustände fest, flüssig oder gasförmig zu wechseln. Gasförmig wird Eisenwerkstoff erst, wenn er auf 2750°C erhitzt wird. Helium wird erst fest bei -272°C, aber das Grundprinzip gilt.

In der Regel dehnt sich ein Stoff bei Erwärmung immer mehr aus, um dann an den Aggregat-Zustandsgrenzen langsam mit seinem ganzen Volumen in den nächsten Zustand mit vergrößerten Abständen zwischen den Molekülen überzugehen. Beispiel Wasser, dem man bei 100°C noch einmal die mehr als fünffache Wärme der von 0-100°C nötigen zuführen muss, bis endlich alles zu Wasserdampf geworden ist.

Wasser bildet dann ab 4°C die große Ausnahme aller Stoffe, indem es sich bei weiterer Abkühlung ausdehnt. Wahrscheinlich braucht die Natur diese Eigenschaft des Wassers, um z.B. Berge abzutragen oder sonstige Veränderungen der Landschaft zu bewerkstelligen. Denn sich ausdehnendes Eis hat Sprengwirkung. Für Autofahrer ist das unangenehm, muss man doch zumindest im Winter mit Frostschutz fahren, wodurch nicht nur das Portemonnaie, sondern auch die Kühleffektivität leidet. Aber bevor der ganze Motorblock entzwei gedrückt wird oder zumindest die Froststopfen herauskommen ...

Warum aber brauchen die Moleküle bei Erwärmung mehr Platz? Weil sie in stärkere Schwingungen versetzt werden. Die ihnen zugeführte Wärmeenergie zeigt sich hier als Bewegungsenergie, geht natürlich nicht verloren. Wenn wir aber jetzt die Temperatur absenken, dann muss es doch auch einen Punkt geben, wo die Bewegung aufhört. Ja, gibt es, am absoluten Nullpunkt, bei -273°C. Hier beginnt dann die viel logischere Kelvin-Skala.

Sie können sich zwar die Moleküle beim Schwingen als kleine Kugeln vorstellen, aber eigentlich ist das ein Modell. Das bedeutet, mit dieser Vorstellung können sie zwar manches erklären, aber mit der Wirklichkeit hat das nur bezogen auf die zu erklärenden Vorgänge zu tun. Und wenn man schon den Ort eines bestimmten Elektrons zu einem exakt definierten Zeitpunkt nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit bestimmen kann (Heisenberg), sehen Sie, wie kompliziert die Wirklichkeit ist, soweit sie bisher überhaupt schon aufgedeckt wurde.

Und da wir ja immer noch von einem Verbrennungsmotor ausgehen, interessiert uns die Physik der Gase besonders. Wie wir schon an der Kavitation des Dieselkraftstoffs gesehen haben, kann man die Temperatur eines Stoffes nicht nur durch Wärmezufuhr beeinflussen. Sie steigt auch, wenn man den Druck erhöht, wie man beim (Hand-) Aufpumpen eines Fahrradreifens leicht feststellen kann. Und wenn man den Druck unter das herrschende Niveau absenkt, wird sie entsprechend niedriger.

Druck (p) mal Volumen (V) ist konstant. Damit lassen sich auch die Aggregat-Zustandsgrenzen verschieben. So ist z.B. in Kraftwerken flüssiges Wasser bei 300°C nichts Ungewöhnliches. Aber wehe, eine solche Hochdruckleitung platzt, dann besteht Lebensgefahr. Kommt also noch unterschiedliche Temperatur hinzu, ist sogar Druck (p) mal Volumen (V) geteilt durch Temperatur (T) konstant. Letztere muss dann allerdings in Kelvin umgerechnet werden.

Für diese Formeln gibt es mindestens zwei Voraussetzungen. Richtig funktioniert sie nur bei idealen Gasen und die Gasmenge muss, wie z.B. im Brennraum eines Verbrennungsmotors, räumlich abgeschlossen sein. Schon sind wir mitten in den schönsten Motorberechnungen. Probe gefällig? Schauen Sie sich die Seiten über den Turbolader an, dann wissen Sie, dass inzwischen sogar Hubraum, nicht aber Druck durch nichts zu ersetzen ist.

Lesen Sie hierzu: pV-Diagramm 1 und pV-Diagramm 2

Wenn man also etwas über die Fähigkeiten der Ingenieure wissen will, die diesen Motor konstruiert haben, muss man Hubraum und Leistung in Beziehung setzen. Alles in einem Wert zusammengefasst finden wir im effektiven Mitteldruck (pme), theoretisch abgeleitet vom über alle Takte gemessenen und gemittelten Druck im Zylinder, dem indizierten Mitteldruck (pmi). Zum effektiven Druck wird er durch Berücksichtigung des Motorwirkungsgrades, also z.B. der Reibungsverluste im Motor.

Effektiver Mitteldruck moderner Saugmotoren: deutlich über 10 bar

Wir haben also einen recht guten Kennwert für die Güte eines Motors gefunden, auch wenn der nur berechnet werden kann. Wir bleiben bei der Luft, die wir fortan als ideales Gas behandeln. Jetzt geht es nämlich mit den Berechnungen erst richtig los. Schon vor der Konstruktion eines Motors kann man jetzt mit den Gasgleichungen die benötigte Luftmasse und das Hubvolumen für eine ganz bestimmte Leistung eines Saugmotors berechnen und - inzwischen besonders wichtig - einen Ausblick auf dessen thermischen Wirkungsgrad geben.

Zugrunde liegt dem ganzen ein Modell von Mayer aus den Anfängen der Wärmelehre im 19. Jahrhundert. Hier wurde herausgefunden, dass Wärme genauso eine Energieform wie z.B. die Bewegung darstellt (1. Hauptsatz), sich also ineinander umwandeln lassen, nie verloren gehen, aber nicht hinzukommt, um beispielsweise ein Perpetuum mobile ewig am Laufen zu halten. Wärme ist also die Bewegungsenergie der Moleküle, die mit steigender Temperatur immer mehr ins Schwingen geraten.

Jetzt kann man auch verstehen, was beim Übergang von einem Aggregatszustand in den anderen passiert. Irgendwann werden z.B. bei festen Körpern die Schwingungen so stark, dass die Moleküle die feste Form verlassen und sich in einem loseren Verband bei gleichem Volumen neu anordnen (flüssig). Würden wir dann z.B. beim Wasser noch weiter erwärmen, kommt es unter Normaldruck bei 100°C noch einmal zu einem Bruch der Systemgrenzen. Wasserdampf nimmt dann riesig viel mehr Raum ein als Wasser.

Richtig spannend sind Molekülveränderungen bei Eisenwerkstoffen, und zwar beim Abkühlen. Eisen gehört zu den Werkstoffen, die beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand sehr kompakte und haltbare Molekülstrukturen bilden können, 'Kristalle' genannt. Nun muss diese Kristallbildung bei Abkühlen natürlich irgendwo beginnen. Natürlich nicht nur an einem, sondern an mehreren Orten gleichzeitig. Und weil das nicht in jedem Temperaturbereich gleich verläuft, kann man durch Abkühltiming aus dem Eisenwerkstoff enorme Werkstoffeigenschaften herausholen. 08/11

Lesen Sie hier weiter über die Struktur des Eisenwerkstoffs.



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