Dr. Wiebke Salzmann
Lektorat • Naturwissenschaften
Wissenstexte
Dampfmaschine
Sie sind hier:
www.wissenstexte.de > Physik-Wissen > Thermodynamik > Dampfmaschine & Co. – Startseite > Dampfmaschine
Dampfmaschine; einfach wirkende Dampfmaschine; zweifach wirkende Dampfmaschine; Expansionsdampfmaschine; Volldruckdampfmaschine
In einer Dampfmaschine wird die Wärme über das Medium Wasserdampf transportiert – heißer Dampf versetzt einen Kolben in Bewegung und verwandelt so Wärme in Arbeit. Der Dampf muss zunächst erzeugt werden, indem in einem Kessel Wasser erhitzt und verdampft wird. Ein einfaches Experiment zeigt anschaulich die Volumenzunahme während des Verdampfens.
Den sich ausdehnenden Dampf kann man nutzen, um Gegenstände in Bewegung zu versetzen. Bevor ich die Dampfmaschine beschreibe, hier noch ein anderes Beispiel – der Dampfkreisel. Der Dampfkreisel besteht aus einem gebogenen Kupferrohr, das so in eine Korkscheibe gesteckt ist, dass die unten herausragenden Enden in entgegengesetzte Richtung zeigen.
Nun wird das Kupferrohr mit Wasser gefüllt, der Kreisel in eine Schüssel mit Wasser gesetzt und ein brennendes Teelicht unter die Kupferschleife gestellt. Die Hitze der Flamme lässt das Wasser im Rohr verdampfen, sein Volumen nimmt schlagartig zu und der Dampf schießt aus den unter Wasser liegenden Rohrenden hinaus. Aufgrund der Impulserhaltung kommt es zu einem Rückstoß, der den Kreisel in entgegengesetzte Richtung in Bewegung setzt. (Bevor der Dampf aus dem Rohr austrat, war das System aus Kreisel und Dampf in Ruhe, hatte also den Impuls 0. Der austretende Dampf hat aber nun einen Impuls. Da der Gesamtimpuls des Systems aber erhalten bleiben muss, da keine äußeren Kräfte wirken, muss der Impuls des Dampfes durch einen entgegengesetzten Impuls ausgeglichen werden. Deshalb dreht der Kreisel sich entgegengesetzt.)
Das Video zeigt den Dampfkreisel in Aktion:
In einer sogenannten einfach wirkenden Maschine drückt der sich ausdehnende Dampf den Kolben nach oben, der Kolben versetzt ein Schwungrad in Bewegung, das dann den Kolben wieder nach unten schiebt, wobei dieser den Dampf wieder aus dem Zylinder hinausdrückt. Dann kann der nächste Durchlauf beginnen und der Dampf den Kolben wieder hinausdrücken.
Statt den Kolben von einem Schwungrad wieder nach unten drücken zu lassen, kann man auch diesen Schritt vom Dampf erledigen lassen und eine zweifach wirkende Maschine konstruieren. Dazu muss der Kolben über Pleuelstangen, Hebel und ein Schwungrad einen Hebel in Bewegung setzen, der zwischen zwei Einströmöffnungen hin und her schaltet. In der einen Hebelstellung wird der Dampf in den Raum über dem Kolben geleitet und der Kolben wird bei Einströmen und Ausdehnung des Dampfes nach unten gedrückt. Gleichzeitig komprimiert er den Dampf unter sich und drückt ihn aus dem Zylinder hinaus. In der anderen Hebelstellung strömt Dampf in den Raum unter dem Kolben, drückt den Kolben nach oben, wobei der Dampf über dem Kolben hinausgedrückt wird. Gleichzeitig wird die jeweils andere Zylinderhälfte mit der Ausströmöffnung verbunden, sodass der verbrauchte Dampf ausströmen kann.
1. Wasser wird im Kessel verdampft
und dann in den Zylinder geleitet. Dabei bringt es als Dampf Wärme in den Zylinder.
Die vier Schritte des Kreisprozesses, die im Zylinder einer zweifach wirkenden Dampfmaschine ablaufen, werden nun anhand der Abbildungen erläutert – da der Dampf hier den Kolben sowohl hinunter- als auch hinaufdrückt, finden im Grunde zwei Kreisprozesse gleichzeitig statt – einer für den Dampf unter dem Kolben, einer für den Dampf über dem Kolben, wobei die Kreisprozesse um zwei Schritte gegeneinander verschoben sind.
Im Folgenden wird der Kreisprozess für den Dampf unter dem Kolben ausführlicher beschrieben; die jeweils ablaufenden Schritte für den Dampf über dem Kolben werden nur genannt.
Die Farbe deutet die Temperatur an – gelb ist am kühlsten, je dunkler das Rot, desto wärmer ist der Dampf.
2. Isobare Dampfzufuhr
3. Adiabatische Expansion
4. Isobare Dampfabfuhr
5. Adiabatische Kompression
6. Kondensation des Dampfes
Um die Arbeit, die benötigt wird, um den Dampf wieder aus dem Zylinder hinauszudrücken, möglichst klein zu machen (und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen), lässt man ihn in einen an die Ausströmöffnung angeschlossenen Kondensator strömen. Der Dampf kondensiert, was eine starke Volumenverringerung und damit einen Unterdruck zur Folge hat, der den weiteren Dampf aus dem Zylinder saugt.
Man kann den abgekühlten Dampf nach Schritt 5, statt ihn in den Kondensator zu drücken, auch in einen weiteren Zylinder befördern. Dort kann man den Dampf mit seiner immer noch hohen Temperatur für einen weiteren Arbeitsgang nutzen. Da der Dampf jedoch schon expandiert ist und einen entsprechend niedrigeren Druck hat, sind diese zweiten (oder auch dritten) Zylinder größer. Man unterscheidet entsprechend Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckzylinder. Eine solche Dampfmaschine mit mehreren Zylindern nennt man Verbunddampfmaschine.
Der Erfinder der Dampfmaschine war übrigens nicht James Watt, ihm gebührt jedoch das Verdienst, sie 1769 so verändert zu haben, dass sie in Fabriken und Lokomotiven einsetzbar war. Er trennte insbesondere Verdampfungs- und Kondensationsvorgang, wodurch der Zylinder immer heiß bleiben konnte. Im Vorgängermodell, das 1712 von Thomas Newcomen entwickelt wurde, wurde der Zylinder nach jedem Verdampfungsvorgang abgekühlt, um den Kondensationsvorgang einzuleiten. Das im Zylinder kondensierte Wasser floss ab in den Kessel, der Kolben bewegte sich infolgedessen nach unten und ein neuer Verdampfungsvorgang konnte einsetzen. Diese Dampfmaschine wurde nur für Pumpen eingesetzt. Auch das wechselseitige Einströmen des Dampfes auf beiden Seiten des Kolbens ist eine Erfindung von James Watt.
Dampfmaschinen wurden in der Industrie eingesetzt, beispielweise zum Antrieb von Webmaschinen, in der Landwirtschaft zum Antrieb von z. B. Dreschmaschinen, aber auch zur Fortbewegung in Dampfschiffen und Dampflokomotiven (siehe Galerie). Dampfbetriebene Fahrzeuge sind heute meist nur noch als Touristenattraktion oder als Hobby einzelner zu sehen. Lokomotiven fahren heute elektrisch oder mit Dieselmotoren.
© Wiebke Salzmann
Datum der letzten Änderung: 14. Juli 2010