Bestimmt hast du schon mal vom Stirling-Motor gehört. Wir erklären dir die thermodynamischen Zusammenhänge, die in einem solchen Motor ablaufen.
Der Stirling-Motor besteht aus zwei Kolben: Einem Verdränger– und einem Arbeitskolben.
Um den rechtslaufenden Kreisprozess verstehen zu können, müssen wir die einzelnen Zustandsänderungen genauer beleuchten.
Inhaltsübersicht
Vorgehen beim Stirling Prozess
Die Zustandsänderungen lassen sich am besten nachvollziehen, indem wir die Abläufe in einem p-V- und im T-S-Diagramm darstellen.
Stirling Prozess im p-V- und T-S-Diagramm
Die 4 Prozessschritte bzw. Takte beim Stirling Prozess sind:
- Isotherme Kompression
- Isochore Wärmezufuhr
- Isotherme Expansion
- Isochore Wärmeabfuhr
Isotherme Kompression 1 -> 2:
Die erste Zustandsänderung verläuft isotherm . Der Arbeitskolben verdichtet durch zugeführte Arbeit das Gas im Kolben.
Dadurch wird das Volumen kleiner und der Druck im System steigt.
Die dabei entstehende Wärme 
wird dem System entzogen, sodass die Temperatur konstant bleibt (siehe T-S-Diagramm). Außerdem verringert sich die Enthalpie
aufgrund der Wärmeabfuhr.
Isochore Wärmezufuhr 2 -> 3:
Im nächsten Schritt wird dem Gas Wärme 
über den erhitzten Verdrängerkolben zugeführt.
Dieser bewegt sich in Richtung des Arbeitskolbens. Der Arbeitskolben selbst bewegt sich nicht, wodurch das Volumen konstant bleibt und der Druck steigt. Durch die zugeführte Wärmeenergie erhöhen sich die Temperatur und die Enthalpie. Die Zustandsänderung läuft also isochor ab.
Isotherme Expansion 3 -> 4:
Es folgt eine weitere isotherme Zustandsänderung . Diesmal handelt es sich um eine Expansion. Die Erwärmung des Gases sorgt für eine Ausdehnung.
Das Volumen wird größer, während der Druck sinkt.
Bei der Bewegung des Arbeitskolbens wird Arbeit abgegeben. Im Laufe der Zustandsänderung folgt der Verdichtungskolben dem Arbeitskolben. Die Temperatur bleibt durch die Zufuhr von Wärmeenergie konstant und die Enthalpie steigt.
Isochore Wärmeabfuhr 4 -> 1:
Die letzte Zustandsänderung verläuft isochor, also bei gleichbleibendem Volumen. Dem Gas wird Wärme entzogen. Dies geschieht durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens, welcher die Wärmeenergie aufnimmt.
Es handelt sich dabei um diejenige Wärme, die in der Zustandsänderung von 2 nach 3 wieder vom Gas aufgenommen wird. Die Wärmeabfuhr sorgt für eine Minderung des Drucks und der Temperatur. Die Zustandsänderung ist isochor, da sich der Arbeitskolben nicht bewegt.
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Weitere Vergleichsprozesse:
Stirling Kreisprozess : Thermischer Wirkungsgrad
Kommen wir zum Wirkungsgrad. Der thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Unser Aufwand ist die zugeführte Wärmeenergie 
und unser Nutzen ist die verrichtete Nettoarbeit. Dies ist die Fläche, die durch die Kurven im p–V-Diagramm eingegrenzt wird. Daraus folgt:
Der thermische Wirkungsgrad ist gleich dem Betrag der abgeführten Arbeit geteilt durch die zugeführte Wärme.
Setzen wir für die Arbeit und die Wärme die jeweiligen Formeln ein, dann erhalten wir am Ende:
Der thermische Wirkungsgrad des Stirling Prozesses wird genauso berechnet wie derjenige der Carnot Prozesse und entspricht daher dem bestmöglichen Wirkungsgrad.
Fassen wir zusammen: Der Stirling Prozess läuft in einem Stirling Motor ab. Dieser besteht aus einem Arbeits– und einem Verdrängerkolben. Beide sind frei beweglich. Während des Prozesses gibt es zwei isotherme und zwei isochore Zustandsänderungen.
Stirling Prozess — häufigste Fragen
(ausklappen)
Stirling Prozess — häufigste Fragen
(ausklappen)-
Was ist der Stirling-Prozess?Der Stirling‑Prozess ist ein rechtslaufender thermodynamischer Kreisprozess, der aus vier Zustandsänderungen besteht. Zuerst erfolgt eine isotherme Kompression, dann eine isochore Wärmezufuhr, danach eine isotherme Expansion und zuletzt eine isochore Wärmeabfuhr. Die Nettoarbeit entspricht der eingeschlossenen Fläche im
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-Diagramm.
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Wie funktioniert ein Stirlingmotor?Ein Stirlingmotor funktioniert, indem ein Gas abwechselnd Wärme aufnimmt und wieder abgibt und dadurch abwechselnd expandiert und komprimiert wird. Ein Verdrängerkolben verschiebt das Gas zwischen warmem und kälterem Bereich, während der Arbeitskolben die Volumenänderung in mechanische Arbeit umsetzt. So entsteht pro Zyklus eine Nettoarbeit.
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Welcher Kolben bewegt sich in welchem Takt beim Stirling-Prozess?Beim Takt
bewegt sich der Arbeitskolben und komprimiert das Gas. Beim Takt 
bewegt sich der Verdrängerkolben, während der Arbeitskolben stehen bleibt. Beim Takt 
bewegt sich der Arbeitskolben zur Expansion, der Verdrängerkolben folgt. Beim Takt 
bewegt sich der Verdrängerkolben, der Arbeitskolben bleibt stehen.
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Wie hoch ist der thermische Wirkungsgrad eines Stirlingmotors?Der thermische Wirkungsgrad eines idealen Stirlingmotors lautet
. Dabei ist 
die höhere Temperatur des Prozesses und 
die niedrigere. Damit entspricht der Wirkungsgrad formal dem des Carnot‑Prozesses zwischen denselben Temperaturen.
Kreisprozesse verstehen
Der Stirling Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess und gehört zu den grundlegenden Prozessen in den Ingenieurwissenschaften. Wer sich mit Kreisprozessen beschäftigt, vergleicht typische Abläufe aus Wärmelehre und Motorentechnik über Zustandsänderungen, Diagramme und Wirkungsgrade. So wird klar, wie Wärme, Arbeit und Zustandsgrößen in einem geschlossenen Prozess zusammenhängen. Im Ingenieurwissenschaftenbereich findest du passende Videos zu diesem und verwandten Themen.
