Carnot-Prozess als linksläufig orientierter Prozess

Bisher haben wir immer eine Folge von rechtslaufenden (mathematisch negativer Drehsinn = Uhrzeigersinn) Zustandsänderungen betrachtet. Die so orientierte Kreisprozessfläche ist demgemäß negativ orientiert. Bisher wurde auch immer betont, dass die Kreisprozessarbeit frei wird, also nach den thermodynamischen Vorzeichenvereinbarungen w < 0 gilt.

Betrachtet man einen Carnot-Prozess mit einer linkslaufenden Folge von Zustandsänderungen (mathematisch positiver Drehsinn = dem Uhrzeigersinn entgegengerichtet) erhält man für die Kreisprozessarbeit eine positiv orientierte Fläche und damit eine Situation, bei der dem Prozess eine Arbeit zugeführt sowie Wärme auf einem niedrigem Temperaturniveau aufgenommen und bei höherer Temperatur abgegeben wird. Aus unserer Erfahrung wissen wir in Übereinstimmung mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, dass der spontane, natürlich auftretende Wärmefluss immer von höherer zu niedriger Temperatur erfolgt. Zur Umkehrung der natürlichen Wärmeflussrichtung muss Energie aufgewendet werden, von allein läuft dieser Prozess niemals ab. Die abgegebene Wärme q_ab setzt sich zusammen aus der aufgenommenen Kreisprozessarbeit w und der aufgenommenen Wärme q_zu. Nach dem gerade beschriebenen Prinzip zur Umkehrung der Richtung des spontanen Wärmeflusses funktionieren Kompressionskältemaschinen (Kühlschränke) und Wärmepumpen. Als Effizienzmaß für einen linkslaufenden Carnot-Prozess wird eine Leistungszahl ε eingeführt, die die Nutzwärmeleistung ins Verhältnis zur Leistungsaufnahme setzt. Je höher die Leistungszahl, desto effizienter ist der Prozess.

Bei einer Kompressionskältemaschine (Haushaltskühlschrank) besteht der Nutzen in der dem Kühlgut bei niedriger Temperatur entzogenen Wärme (in der Abbildung unten grau unterlegt die Kälteleistung). Dieser Nutzen wird erreicht, in dem ein Kältemittel (Arbeitsmittel für den Kreisprozess) bei niedrigem Druck verdampft, dieser Dampf verdichtet wird und bei höherer Temperatur (als maximale Temperatur kommt die Umgebungstemperatur TU in Betracht) die aufgenommene Wärme wieder abgibt. Mit einer Drossel wird anschließend der Druck des Kältemittels wieder so weit reduziert, dass es erneut bei minimaler Prozesstemperatur (Kühltemperatur) verdampfen kann. Nach Abbildung 4-5 errechnet sich die Leistungszahl für eine Kompressionskältemaschine

Anders als beim Rechtsprozess werden große Leistungszahlen erreicht, wenn der Temperaturunterschied zwischen minimaler und maximaler Prozesstemperatur möglichst gering ist. Kühlschränke arbeiten also bei niedriger Kühlstufe energetisch effizienter als bei hoher Kühlstufe. Die Leistungsziffer bei einer Kompressionskältemaschine kann größer oder kleiner 1 sein. Der Kältemaschinenprozess wird eingesetzt, um in einem Raum (Kühlraum) eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur aufrecht zu erhalten.

Beim Wärmepumpenprozess wird die bei Umgebungstemperatur bereitstehende Wärme einem Energiespeicher (zu heizendem Raum) zugeführt, dessen Temperatur oberhalb der Temperatur der Umgebung liegt. Prinzipiell arbeitet die Wärmepumpe nach dem gleichen anlagentechnischen Schaltschema wie die Kompressionskältemaschine, denn es ist technisch gesehen gleichgültig, ob der linkslaufende Carnot-Prozess unterhalb oder oberhalb der Umgebungstemperatur abläuft. Die Leistungszahl einer Wärmepumpe nach dem Carnot-Prozess wird wieder definiert zu

Sie unterscheiden sich nur dadurch, dass für die Kompressionskältemaschinen die dem Prozess zugeführte (= dem Kühlgut entzogene Wärme) und bei den Wärmepumpen die abgeführte Wärme (= Heizwärme) als Nutzen anzusehen ist. Daraus ergibt sich für die Bewertung durch Leistungszahlen folgender Zusammenhang

Der Umstand, dass man einen Prozess mit zwei verschiedenen Leistungszahlen (ε_C,WP und ε_C,KKM) bewerten kann, verwirrt manchmal.

Bei der Bewertung der energetischen Effizienz des Einsatzes von Wärmepumpen zur Bereitstellung der Raumwärme Q_R ist einzubeziehen, dass sie mit Strom angetrieben werden, der im Kraftwerk mit dem Kraftwerkswirkungsgrad η_el aus der Wärme der eingesetzten Primärenergien Q_primär gewonnen wird. Unter diesem Gesichtspunkt ist als eigentlicher Beurteilungsmaßstab das Verhältnis von Raumwärme Q_R zur in der eingesetzten Primärenergie gespeicherten Wärme Q_primär anzusehen.