Rund um den Motor V 1.0 - Arbeitsauftrag für die Stammgruppe - elsenbruch.info
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Rund um den Motor V 1.0
C D
Arbeitsauftrag für die Stammgruppe
Gruppe 1
Ihr solltet euch innerhalb von 10 Minuten einen kurzen Überblick über das Thema machen und
euch entscheiden wer Experte für welches Thema wird.
Geht dabei wie folgt vor:
1. Gruppenarbeit: gemeinsame Lektüre des unten stehenden Textes und gemeinsame
Klärung der folgenden Fragen, sowie deren Beantwortung im Heft.
Welche Vorgänge laufen bei der Dampfmaschine periodisch ab?
Welche Funktion hat die Schieberstange?
2. Gruppenarbeit: Bennennung der Experten für die folgenden Themen.
• Im Kühlschrank arbeitet eine Wärmepumpe
• Der Ottomotor
• Das Strahltriebwerk
• Der Dieselmotor
• Das Wärmekraftwerk
Prinzip von Wärmekraftmaschinen
Täglich begegnen uns Maschinen, die aus innerer Energie Bewegungsenergie erzeugen: Jedes Auto wird von einem
Motor angetrieben, in dem Benzin oder Dieselkraftstoff verbrannt wird. Diese innere Energie bewegt die Kolben
im Zylinder und schließlich dreht sie die Räder.
In allen Wärmekraftmaschinen kann nur ein Teil der inneren Energie in mechanische Energie umgewandelt wer-
den. Der Rest wird teilweise noch genutzt, um den Innenraum des Autos zu erwärmen, ist aber für weitere Nutzung
verloren.
Die ersten Wärmekraftmaschinen waren Dampfmaschinen. In ihnen verrichtete heißer Wasserdampf mechanische
Arbeit. Das Bild zeigt das Prinzip von einer Dampfmaschine nach James Watt.
Dampfeintritt und -austritt werden durch einen Schieber gesteuert. Die Schieberbewegung ist der Kolbenbewegung
entgegengerichtet. Der Kolben wird abwechselnd nach links und rechts gedrückt.
Der Schieber schließt den Einlass, wenn eine bestimmte Menge heißer Dampf in den Zylinder geströmt ist. Dieser
Dampf dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab. Seine innere Energie wird in mechanische Arbeit umgewandelt. Es
ist aber nicht möglich, die gesamte Energie des Dampfes in mechanische Arbeit umzuwandeln
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Im Kühlschrank arbeitet eine Wärmepumpe V 1.0
Kühlschrank sich nur Stoffe, die eine Siedetemperatur von niedriger
Noch nie hat jemand beobachtet, dass sich das Bade- als -20°C besitzen. Das Kühlmittel gelangt in flüssiger
zimmer abkühlt und dafür das Badewasser immer hei- Form in das Innere des Kühlschranks. Im Verdampfer,
ßer wird. Von allein wird dies nie geschehen. Alle einem schlangenförmig verlegten Rohr, siedet es. Da-
Erfahrung lehrt uns: Die Wärme geht stets vom wär- bei entzieht es der Luft im Inneren die zum Verdamp-
meren zum kälteren Körper über. Dieser Grundsatz der fen benötigte Energie und kühlt die Luft dadurch ab.
Wärmelehre wird täglich in jeder Küche scheinbar Der Kompressor, der durch einen Elektromotor ange-
durchbrochen: Der Kühlschrank kühlt die Lebensmittel trieben wird, pumpt das gasförmige Kühlmittel zum
in seinem Innenraum ab und erwärmt zugleich die Kondensator, einem schlangenförmig verlegten Rohr
Küche. an der Rückseite des Kühlschranks. Unter dem hohen,
An der Rückseite der meisten Kühlschränke findest du vom Kompressor erzeugten Druck, kondensiert es
schwarze, von einem schlangenförmigen Rohr durch- dort. Dabei wird die wieder frei werdende Verdamp-
zogene Kühlrippen. Während der Kühlschrank „läuft", fungsenergie über die Kühlrippen an die Zimmerluft
besitzen die Kühlrippen eine höhere Temperatur als abgegeben. Anschließend fließt das flüssige Kühlmit-
die Umgebung. Du kannst das mit der Hand nachprü- tel durch ein sehr enges Rohr wieder zum Verdampfer.
fen! Offensichtlich transportiert eine Wärmepumpe Das enge Rohr hält den hohen Druck des Kompressors
Energie aus dem Inneren des Kühlschranks dorthin. vom Verdampfer fern, wo der Druck klein sein muss.
Solches geschieht niemals von selbst. Man braucht Wärmepumpen zum Beheizen von Gebäuden sind im
eine Maschine mit Energiezufuhr von außen. Prinzip genauso aufgebaut: Sie entziehen dem Erd-
Die Wärmepumpe eines Kühlschrankes besteht im boden, Gewässern oder der Außenluft Energie und
Wesentlichen aus einem geschlossenen Rohrsystem, in pumpen diese in die Gebäude
dem ein Kühlmittel zirkuliert. Als Kühlmittel eignen
A A Arbeitsauftrag für die Expertengruppe
A
Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es
in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 3 Minuten präsentieren und
Experten
erklären können. Geht dabei wie folgt vor:
1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes.
2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglie-
der der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können.
Inhalt der Präsentation:
• Wie funktioniert ein Kühlschrank?
• Was ist das besondere beim Energiefluss in einem Kühlschrank?
• Erstellt ein Energieflussdiagramm für den Kühlschrank (wo wird welche Energiemen-
ge aufgenommen bzw. abgegeben).
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Der Ottomotor V 1.1
Verglichen mit den schweren Dampfmaschinen des Einlassventil ist geöffnet. Durch das Ventil wird das
19. Jahrhunderts sind die heutigen Benzinmotoren Benzin-Luft-Gemisch angesaugt, das im Vergaser
äußerst kleine und leichte Wärmekraftmaschinen mit erzeugt wird.
einer großen Leistung. Nach ihrem Erfinder NIKO- 2. Takt: Verdichten des Benzin-Luft-Gemisches
LAUS OTTO (1832-1891) werden sie auch Ottomo- Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt
toren genannt. sich in Richtung der Zündkerze, bis das Volumen des
Im Ottomotor wird ähnlich wie in einer Dampfma- Gases auf etwa 1 /10 des ursprünglichen Volumens
schine ein Kolben durch den Druck eines erhitzten verkleinert ist. Dabei steigt die Temperatur des Gases
Gases bewegt. Allerdings ist das Gas hier nicht Was- auf etwa 500°C.
serdampf, sondern das heiße Gas entsteht beim 3. Takt (Arbeitstakt): Zünden und Verbrennen
Verbrennen eines Gemisches aus Benzin und Luft. des Gemisches, Ausdehnen der Verbrennungsgase
Mit der Zündkerze wird ein Funke erzeugt, der das
Arbeitsweise des Viertakt-Ottomotors Benzin-Luft-Gemisch entzündet. Beim explosions-
Ein Viertaktmotor arbeitet in vier Schritten, die nach-
artigen Verbrennen steigt die Temperatur auf über
einander ablaufen. Diese Schritte werden Takte ge- 2000 °C, der Druck nimmt stark zu. Der Kolben wird
nannt. in Richtung der Kurbelwelle gedrückt.
Die Vorgänge wiederholen sich jeweils nach 4 Tak-
4. Takt: Ausschieben der Verbrennungsgase.
ten. Bei einem Viertakt-Ottomotor unterscheidet man
Das Auslassventil wird geöffnet. Der Kolben bewegt
folgende Takte:
sich zurück und schiebt die Verbrennungsgase aus
1. Takt: Ansaugen des Benzin-Luft-Gemisches dem Zylinder.
Der Kolben bewegt sich in Richtung der Kurbelwel- Danach schließt sich wieder der 1. Takt an.
le. Dadurch entsteht im Zylinder ein Unterdruck. Das
A A Arbeitsauftrag für die Expertengruppe
A
Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es
in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 3 Minuten präsentieren und
Experten
erklären können. Geht dabei wie folgt vor:
1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes.
2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglie-
der der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können.
Inhalt der Präsentation:
• Welche Funktion haben die einzelnen Takte?
• Welche Energieformen werden in den einzelnen Takten in einander umgewandelt?
(Achtung die Kurbelwelle drehet sich zu Beginn bereits!)
• Welche Energiemengen werden in den einzelnen Takten in einander umgewandelt?
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Der Dieselmotor V 1.0
Der Ingenieur RUDOLF DIESEL (1858-1913) hat Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt
vor etwa 100 Jahren eine weitere Wärmekraftma- sich zurück, bis das Volumen der Luft auf etwa 1 / 20
schine entwickelt, deren Wirkungsgrad noch etwas des ursprünglichen Volumens verkleinert ist. Dabei
höher ist als der des Ottomotors. Seine Idee bestand steigt die Temperatur des Gases auf etwa 800°C.
darin, das Kraftstoff-Luft-Gemisch noch stärker zu 3. Takt (Arbeitstakt): Einspritzen, Selbstzündung
verdichten als im Ottomotor. Dabei wird das Ge- und Ausdehnen der Verbrennungsgase
misch so heiß, dass es sich von selbst entzündet. Der Kraftstoff wird eingespritzt, wenn die Luft schon
Auch Dieselmotoren sind in der Regel Viertaktmoto- stark verdichtet und sehr heiß ist. Der Kraftstoff ver-
ren. Im Unterschied zum Ottomotor hat der Diesel- brennt sofort (Selbstzündung) und der Druck im Zy-
motor keine Zündkerze. Außerdem wird der Kraft- linder erhöht sich schlagartig. Beim Verbrennen
stoff nicht angesaugt, sondern durch eine Einspritz- steigt die Temperatur auf über 2 000 °C.
düse direkt in den Zylinder eingespritzt. Der Kolben wird in Richtung der Kurbelwelle ge-
drückt.
Arbeitsweise des Viertakt-Dieselmotors 4. Takt: Ausschieben der Verbrennungsgase.
Ein Viertaktmotor arbeitet in vier Schritten, die nach- Das Auslassventil wird geöffnet. Der Kolben bewegt
einander ablaufen. Diese Schritte werden Takte ge- sich zurück und schiebt die Verbrennungsgase aus
nannt. dem Zylinder.
1. Takt: Ansaugen von Luft Danach schließt sich wieder der 1. Takt an.
Der Kolben bewegt sich in Richtung der Kurbelwel- Dieselmotoren haben nicht nur einer höheren Wir-
le. Dadurch entsteht im Zylinder ein Unterdruck. Das kungsgrad als Benzinmotoren. Die Herstellung von
Einlassventil ist geöffnet. Luft strömt in den Zylinder Dieselkraftstoff aus Rohöl (Erdöl) ist auch mit weni-
ein. ger Aufwand verbunden als die von hochwertigem
2. Takt: Verdichten der Luft Benzin.
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Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es
in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 3 Minuten präsentieren und
Experten
erklären können. Geht dabei wie folgt vor:
1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes.
2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglie-
der der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können.
Inhalt der Präsentation:
• Welche Funktion haben die einzelnen Takte?
• Welche Energieformen werden in den einzelnen Takten in einander umgewandelt?
(Achtung die Kurbelwelle drehet sich zu Beginn bereits!)
• Welche Energiemengen werden in den einzelnen Takten in einander umgewandelt?
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Das Strahltriebwerk V 2.0
Die ersten Motorflugzeuge wurden mit Ottomotoren Die Verbrennungsgase treiben zunächst die Hoch-
angetrieben. Solche Motoren sind jedoch nicht für druckturbine an, die mit dem Kompressor verbunden
große Verkehrsflugzeuge geeignet, die eine große ist.
Schubkraft benötigen. Ottomotoren mit einer hohen
Leistung sind sehr schwer. Strahltriebwerke mit einer
gleichen Leistung können viel leichter gebaut wer-
den.
Auch in Strahltriebwerken wird ein Treibstoff ver-
brannt (Kerosin). Der entstehende hohe Druck wird
dabei oft in zweifacher Weise genutzt:
Die heißen Verbrennungsgase treten mit großer
Geschwindigkeit nach hinten aus und bewirken
dadurch, dass das Flugzeug nach vorn gedrückt Dahinter wird die Niederdruckturbine angetrieben,
wird. die mit dem Bläser verbunden ist. Die Schubdüse
Die Verbrennungsgase treiben eine Turbine an, bewirkt eine weitere Erhöhung der Austrittsge-
die mit einer Luftschraube (Bläser oder Propel- schwindigkeit. Dabei werden Druck und Temperatur
ler) verbunden ist. Die Luftschraube erzeugt ei- des Gases vermindert.
nen nach hinten gerichteten Kaltluftstrom. Im Kaltluftstrom wird eine etwa 5- bis 8-mal so gro-
Der Bläser presst Luft nach hinten. Ein Teil der Luft ße Luftmenge nach hinten bewegt wie im Strom der
gelangt in den Kompressor; dort wird sie verdichtet. heißen Verbrennungsgase. Der Kaltluftstrom dient
Anschließend gelangt sie in die Brennkammer, wo auch zur Kühlung der heißen Triebwerksteile.
kontinuierlich Treibstoff verbrannt wird.
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1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes.
2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglie-
der der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können.
Inhalt der Präsentation:
• Wie ist ein Strahltriebwerk aufgebaut?
• Welche Funktion hat der Kaltluftstrom und wie wird er erzeugt?
• In Ottomotoren erfolgt die Treibstoffzugabe nur schrittweise. wie geschieht dies bei
Strahltriebwerken?
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Das Wärmekraftwerk V 1.0
Ein Wärmekraftwerk ist ein riesiger Energiewandler: Ausdehnung des
Ausgangspunkt ist die chemischen Energie von Koh- Dampfes müssen die
le, Erdöl oder Erdgas, die bei der Verbrennung frei Schaufelräder vom
wird. Diese wird als innere Energie der Verbren- Anfang bis zum Ende der
nungsgase zu Turbine und Generator transportiert Turbine größer werden.
und dort zunächst in mechanische und schließlich in Der Dampf wird im Kon-
elektrische Energie umgewandelt. Dabei gehen mehr densator verflüssigt.
als 60% der eingesetzten chemischen Energie als Die an das Kühlwasser
Abwärme und für den Betrieb der Pumpen und Ge- übertragene Konden-
bläse des Kraftwerkes verloren. sationsenergie wird an
Im Einzelnen spielt sich Folgendes ab: Der in der die Umgebung abgeführt.
Kohlenstaubmühle zerkleinerte Brennstoff gelangt Das Kühlwasser wird
durch das Gebläse in den Brenner. Dort wird er unter entweder direkt einem Fluss entnommen und diesem
Beimischung vorgewärmter Luft verbrannt. Die hei- wieder mit einer etwas höheren Temperatur zuge-
ßen Rauchgase übertragen Energie in Form von führt oder es gibt in einem so genannten Kühlturm,
Wärme an das Wasser, das im Verdampfer zu Was- bevor es wieder in den Kondensator geleitet wird,
serdampf von 100 °C wird. Dieser wird anschließend Wärme an die Luft ab.
auf mehrere Hundert Grad erhitzt. Die Abgase er- Bei Kraftwerken in Städten kann die Abwärme zum
wärmen das Speisewasser und die Luft. Der überhitz- Heizen von Wohnungen verwendet werden. Die Ge-
te Dampf durchströmt die Turbine, die aus einer samtenergiebilanz eines solchen Kraftwerkes ist we-
Hochdruck- und einer Niederdruckstufe besteht. sentlich besser als die von Großkraftwerken, deren
Hierbei entspannt sich der Dampf, kühlt sich ab und Abwärme ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird.
treibt dabei den Läufer an. Wegen der zunehmenden
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1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes.
2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglie-
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Inhalt der Präsentation:
• Wie ist ein Wärmekraftwerk aufgebaut?
• Beschreibe die prinzipielle Wirkung einer Dampfturbine.
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