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Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Fachgruppe Physik

I. Physikalisches Institut

Versuch 1.2 – Wärmekraftmaschine: Stirlingmotor

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Versuch 1.2: Der Verdrängerkolben ist luftdurchlässig

Seit dem Bau der ersten Dampfmaschinen im 18. Jahrhundert ist der Mensch fasziniert von einer seiner wichtigsten Erfindungen, dem Motor. Als Motoren kommen häufig Wärmekraftmaschinen zum Einsatz. Das sind komplexe thermodynamische Systeme, die Wärme in mechanische Arbeit umwandeln. Dabei muss es nicht immer wie beim Auto zugehen, wo die Wärme aus der Explosion eines Benzindampf-Luft-Gemisches gewonnen wird. Ein Stirlingmotor kann seine Wärme aus einer beliebigen Quelle beziehen und erzeugt nur dann Abgase, wenn die Wärmequelle eine Verbrennung ist; das Arbeitsgas verbleibt im Motor. Verglichen mit modernen Verbrennungsmotoren ist der Stirlingmotor recht einfach konstruiert. Bei genauerer Betrachtung wird aber schnell klar, dass der Teufel wie immer im Detail steckt. Mit seinem raffinierten Zusammenspiel aus Thermodynamik, Mechanik und Technik ist der Stirlingmotor ein hervorragendes Beispiel für das Ineinandergreifen verschiedener Effekte, die gewöhnlich im Verlauf des Studiums separat dargeboten werden. Bei diesem Versuchsaufbau sind Zylinder und Kolben aus Glas gebaut, so dass die Funktionsweise des Motors buchstäblich transparent wird.

Das Qualitätsmerkmal eines guten Motors ist ein hoher Wirkungsgrad, d.h. seine Fähigkeit, einen möglichst großen Teil der zugeführten Wärme in nutzbare mechanische Arbeit umzuwandeln. Den höchsten, für Wärmekraftmaschinen theoretisch denkbaren Wirkungsgrad hat der Carnot-Prozess, dem der Stirlingmotor in manchen Aspekten nachempfunden ist. Schwerpunkt dieses Versuchs ist die Bestimmung des Wirkungsgrades mit und ohne Belastung durch direkte Messung des Arbeitsdiagramms. Zusätzliche Messungen ermöglichen einen Vergleich mit dem zu erwartenden Carnot-Wirkungsgrad. Eine weitere Spezialität des Stirlingmotors, die Umkehrbarkeit, wird im ersten Versuchsteil angewendet, wo durch Investition mechanischer Arbeit (Drehen des Schwungrades) eine kleine Probe Wasser gekühlt wird.