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Strahltriebwerk

Strahltriebwerk

eingesetzt wurde]] Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, das nach dem Prinzip des Rückstoßantriebes arbeitet, wobei ein Fluidstrahl Träger des Schubs ist. Im Allgemeinen werden damit nur Aggregate bezeichnet, die das Umgebungsmedium ansaugen und als Antriebsstrahl wieder ausstoßen. Weil der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff der angesaugten Luft entnommen wird, spricht man auch von luftatmenden Triebwerken. Ein Strahltriebwerk (auch Düsentriebwerk oder Strahlturbine genannt) ist in der heutigen Form fast immer ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk. Das Strahltriebwerk ist heute von herausragender Bedeutung für den kommerziellen Luftverkehr. Über 99% der Transportleistungen von Flugzeugen werden mit strahltriebwerksgetriebenen Flugzeugen erbracht. Gleichzeitig ist die Luftfahrt auch das einzige Anwendungsgebiet für das Strahltriebwerk, bei straßen- oder schienengebundenen Fahrzeugen findet es faktisch keine Anwendung. Neben dem Turbinen-Luftstrahltriebwerk gibt es noch andere Bauarten von Luftstrahltriebwerken, die aber heute fast keine kommerzielle Bedeutung haben. = Funktionsweise = Luftverkehr Ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt Luft ein und komprimiert sie in einem Verdichter. In die komprimierte Luft wird in einer Brennkammer Treibstoff eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur des Gases. Das Gas wird dann in einer Turbine teilweise expandiert. Die Turbine dient dem Antrieb des Verdichters und anderer Aggregate wie dem Generator und der Hydraulikpumpen. Das Gas expandiert dann in der Schubdüse. Bei einigen Strahltriebwerken ist dahinter zur Leistungserhöhung noch ein Nachbrenner angebracht. Dieser Prozess kann durchaus mit dem in einem Kolbenmotor verglichen werden, wobei jedoch alle vier Takte - Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen - gleichzeitig und kontinuierlich stattfinden. Die dadurch entsprechend Newtons Reaktionsprinzip entstehende Kraft ist der Schub. Ein einfaches Strahltriebwerk beschleunigt eine relativ geringe Masse Luft sehr stark, wogegen ein Propeller eine große Luftmasse weitaus schwächer beschleunigt. Der Vorteil des Strahlantriebes gegenüber einem Propellertriebwerk liegt in seiner Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten (speziell bei Überschallgeschwindigkeit) und in großen Höhen. Nachteilig ist der hochgenaue Fertigungsaufwand und die damit verbundenen hohen Beschaffungskosten. Dies schließt diese Antriebe vom Markt der Sport- und Hobbyflugzeuge aus. Turbinen-Luftstrahltriebwerke sind im Vergleich zu Kolbenmotor/Propeller-Kombinationen empfindlich gegenüber Fremdkörpern. Schon eine erhöhte Staubbelastung kann die Wartungsintervalle drastisch verkürzen. Das Eindringen von Wasser ist hingegen unproblematisch. Das Anlassen des Triebwerkes erfolgt, indem der Verdichter auf eine Mindestdrehzahl gebracht wird. Dies kann durch Einblasen von Luft, elektrisch, oder durch einen kleinen Verbrennungsmotor erfolgen. Im Allgemeinen wird heute ein elektrischer Anlasser für kleinere Triebwerke verwendet, alle kommerziellen Triebwerke der Airbus oder Boeing Flugzeuge besitzen Luftstarter. Nach Erreichen der Mindestdrehzahl wird Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und durch eine oder mehrere Zündkerzen gezündet. Nach der Entzündung des Kraftstoffs und weiterer Drehzahlzunahme wird die Zündung abgeschaltet, und die Verbrennung läuft kontinuierlich weiter ab. Der Regelbereich zwischen Leerlauf und Volllast beträgt dabei bis zu 95%. Vom Verdichter wird sogenannte Zapfluft abgenommen, mit der die Druckkabine versorgt wird.

Physikalische Grundlagen

Für die Effizienz-Berechnung eines Strahltriebwerkes eignet sich der Joule-Prozess am besten. Entscheidende Prozessparameter sind dabei die Druck- und Temperaturunterschiede. Idealerweise wird also hoch verdichtet, man wählt eine möglichst hohe Brennkammertemperatur und lässt dann das Arbeitsgas über eine möglichst große Düse auf eine möglichst geringe Temperatur expandieren.

Schubformel und Vortriebwirkungsgrad

Joule-Prozess Der vom Triebwerk erzeugte Schub entspricht, im Falle einer konstanten Fluggeschwindigkeit, dem Luftwiderstand des Flugzeugs; der Schub muss größer als der Widerstand sein, wenn das Flugzeug beschleunigen soll. Es gilt folgende vereinfachte Schubformel unter vernachlässigter Kraftstoffmenge und der Annahme, dass der Austrittsdruck der Verbrennungsgase dem Umgebungsdruck entspricht: :

S=\dot m_l (v_A - v_\infty)

. :S Schub in N :

\dot m_l

Luftmasse in kg/s :

v_A

Gasaustrittsgeschwindigkeit gegenüber dem Flugkörper in m/s :

v_\infty

Fluggeschwindigkeit in m/s Für den Vortriebwirkungsgrad gilt jedoch :

\eta_p= \frac

. Und deswegen werden heute in der Zivilluftfahrt Bypasstriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis verwendet, bei denen eine große Luftmasse relativ langsam das Triebwerk verlässt, was einen besseren Wirkungsgrad und nicht zuletzt auch eine Lärmminderung bewirkt. = Strahltriebwerkstypen =

Gasturbine

Prinzipieller Aufbau einer Fluggasturbine

Die Fluggasturbinen besitzen Einlauf, Kompressor, Brennkammer, Turbine und Düse. Bis auf Einlauf und Düse werden alle anderen Komponenten über eine oder auch mehrere Wellen gekoppelt. Der vorne angeordnete Einlauf ist bei hohen Geschwindigkeiten von Nutzen, da schon dort die einströmende Luftmasse vorverdichtet wird.

Verdichter / Kompressor

Verdichter Verdichter] Nach dem Lufteinlauf folgt der Verdichterkomplex, welcher aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Bauform besteht. Er hat die Aufgabe, der einströmenden Luftmasse kinetische Energie zuzuführen und diese in Druckenergie umzuwandeln. Dies geschieht in den diffusorförmigen (d.h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die nun verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder ausgeglichen. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht also aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel (heute: 2-3 Trommeln) angeordnet, die Statorstufen sind fest in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut. Alte Verdichter mit 17 aufeinanderfolgenden Verdichterstufen erreichen lediglich eine Verdichtung von 12,5:1 (Druck am Ende des Verdichters: Umgebungsdruck), während moderne Triebwerke mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erzielen (43,9:1 mit 13 Stufen). Dies ist durch verbesserte Profile der Kompressorschaufeln möglich, die selbst bei Überschallgeschwindigkeiten (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit) sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich ansonsten die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (s.o.: bis 600°C) ebenfalls steigt. Überschall Überschall

Brennkammer

Die hohe Kompression der Luft verursacht einen starken Temperaturanstieg. Die so erhitzte Luft strömt anschließend in die Brennkammer, wo ihr Kraftstoff zugeführt wird. Dieser wird beim Triebwerksstart durch eine Zündkerze gezündet. Dann erfolgt die Verbrennung kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches kommt es zu einem erneuten Temperaturanstieg und einer Ausdehnung des Gases. Dieser Abschnitt des Triebwerks ist durch Temperaturen von bis zu 2.000°C stark belastet. Ohne Kühlung könnten auch die hochwertigen Materialien (oftmals Nickel-Basis Legierungen) diesen Temperaturen nicht standhalten, denn die Brennkammer arbeitet im überkritischen Bereich. Daher wird der direkte Kontakt zwischen der Flamme und der Ummantelung unterbunden. Dies geschieht durch die sog. „Sekundärluft“, die nicht direkt in den Verbrennungsbereich gelangt, sondern um die Brennkammer herumgeleitet wird und erst dann, durch Bohrungen an den Blechstößen der schuppenartig aufgebauten Brennkammer, in diese gelangt und sich als Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand legt. Dies wird Filmkühlung genannt. Rund 70 - 80 % der gesamten Luftmasse aus dem Verdichter werden als Sekundärluft genutzt, lediglich der Rest gelangt als Primärluft direkt in die Brennkammer. Damit die Flamme nicht erlischt, befinden sich die Einspritzventile für den Kraftstoff in einer geschützten Zone (in einem Windschatten der durchströmenden Luft). Weiterhin wird in unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert, um ein Erlöschen der Flamme zu verhindern und eine optimale Verbrennung zu erzielen. Die Brennkammer sorgt auch durch ihre Auslegung für den Schadstoffgehalt im Abgas. Man unterscheidet dabei zwischen Rohrbrennkammern, Ring-Rohrbrennkammern und Ringbrennkammern.

Rohrbrennkammer

Diese Art der Brennkammer ist besonders für Triebwerke mit Radialverdichter geeignet, wie sie insbesondere am Anfang der Entwicklung in Großbritannien und heute bei Turbopropanantrieben verwendet wird. Dies liegt an den einzelnen Diffusoren des Radialverdichters, der den Luftstrom bereits aufteilt. Jede Brennkammer besitzt ein eigenes Primär- und Sekundärluftsystem. Die Brennkammern sind über die Zündstege miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden etwa 8-12 dieser Rohrbrennkammern radial am Triebwerk angeordnet. Sehr kleine Turbinen, etwa für APUs, besitzen nur eine einzelne solcher Rohrbrennkammern. Dem Vorteil der einfachen Entwicklung, einfachen Brennstoffverteilung und guter Wartungsmöglichkeiten stehen der Nachteil des hohen Konstruktionsgewichts einer solchen Anordnung gegenüber. Auch sind die Strömungsverhältnisse gegenüber anderen Brennkammerbauarten nachteilig.

Ring-Rohrbrennkammern

Diese Brennkammerbauart kombiniert die Rohr- und die Ringbrennkammer und eignet sich besonders für sehr große und leistungsstarke Gasturbinen, weil er sich mechanisch sehr stabil ausbilden lässt. Wesentlicher Unterschied zur Einzelbrennkammer ist der gemeinsame Brennkammeraustritt. Die Bauart kommt bei Strahlturbinenantrieben kaum vor.

Ringbrennkammern

Die Ringbrennkammeranordnung stellt das gasdynamische Optimum für Strahlturbinentriebwerke dar. Sie ist dabei recht leicht und kann kurz gebaut werden, da vom Verdichter zur Turbine keine Umlenkungen stattfinden müssen. Die Brennkammer verfügt über eine Anzahl von Kraftstoffeinspritzventilen, die den Kraftstoff an einen ringförmigen Brennraum abgeben. Allerdings ist die Wartung recht schwierig. Auch ist die Entwicklung sehr aufwändig, da die Gasströmungen innerhalb einer solchen Brennkammer dreidimensional berechnet werden müssen. Die Ringbrennkammer ist heute der gebräuchliche Typ bei Luftfahrtstrahltriebwerken. APU APU

Turbine

Die nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine. Diese treibt über eine Welle den Kompressor an. Bei den meisten Einstrom-Triebwerken wird der größte Teil der kinetischen Energie für den Rückstoß genutzt. Es wird also nur so viel Energie auf die Turbine übertragen, wie für den Betrieb des Kompressors gebraucht wird. Heute werden jedoch meist zwei- oder dreistufige Turbinen eingesetzt, die durch jeweils eine entsprechende Welle einen Teil des ebenfalls mehrstufigen Kompressors antreiben. Die Turbinenschaufeln werden normalerweise gekühlt (Innen- oder Film-Kühlung) und bestehen heute im Allgemeinen aus besonders widerstandsfähigen Superlegierungen. Diese Legierungen werden darüber hinaus definiert in einer Vorzugsrichtung erstarrt, erhalten in ihrem Kristallgitter also eine definierte Richtung und erlauben so, die optimalen Werkstoffeigenschaften entgegen der höchsten Belastung wirksam werden zu lassen. Reicht auch das nicht aus wird an besonders kritischen Stellen, etwa der Schaufelvorderkante, der Werkstoff mit keramischen Belägen geschützt.

Schubdüse

Hinter der Turbine ist eine konvergente Düse angebracht, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt und damit den Schub erzeugt, weshalb diese Düse Schubdüse genannt wird. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) wird dabei vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt. Hierbei ist es das Ziel, eine möglichst hohe Ausströmgeschwindigkeit zu erreichen, wobei der Druck des ausströmenden Gases am Schubdüsenende gleichzeitig den Umgebungsdruck erreicht haben soll, damit der Gasstrahl nicht aufplatzt. Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollständig, sondern führen dem verbliebenen Gasstrom bei vorhandenem Überdruck (zum Umgebungsdruck) im Nachbrenner nochmals Kraftstoff zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes führt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie etwa im Manöverflug erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner haben in der Regel eine in ihrer Geometrie veränderliche Düse, um stets den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Parameter

Ein Turbinenluftstrahltriebwerk besitzt eine Vielzahl von Eigenschaften. Hier eine Liste der wichtigsten technischen Parameter, um einen schnellen Vergleich unterschiedlicher Strahltriebwerke herstellen zu können: Art des Verdichters (Radial/Axial/Mischform/Sonder) Art der Turbine ((Radial/Axial/Mischform/Sonder) Art der Brennkammern Anzahl der Fan-Stufen Anzahl der Niederdruckverdichterstufen Anzahl der Hochdruckverdichterstufen Anzahl der Hochdruckturbinen Anzahl der Niederdruckturbinen Wellenanzahl Luftdurchsatz (kg/s) Triebwerkslänge Triebwerksdurchmesser Trockengewicht Schub Nebenstromverhältnis Kompression des Verdichters Spezifischer Kraftstoffverbrauch (kg/kNh)

Turbojet-Triebwerk

konvergent Der Turbojet ist die einfachste Form eines Strahltriebwerkes. Er besteht aus einer Gasturbine, bei der das Abgas als Antriebsmedium genutzt wird. Das Triebwerk hat in der Regel nur eine Welle, auf der Verdichter und Turbine miteinander gekoppelt sind. Der komplette Gasdurchsatz läuft durch die Brennkammern. Durch seine hohen Austrittsgeschwindigkeiten hat es bei geringen Geschwindigkeiten einen geringen Wirkungsgrad, entwickelt aber einen hohen Lärmpegel. Gerade bei Unterschallgeschwindigkeit ist der spezifische Kraftstoffverbrauch hoch und stellt eine untragbare Umweltbelastung dar. Einstrom-Strahltriebwerke gehören daher heutzutage nicht mehr zur Ausstattung von Flugzeugen. Sie bilden die einfachste Form eines Wellenstrahltriebwerks. Der Durchmesser ist recht kompakt und die Wartung einfach. Ihre Einsatzzeit lag vor allem in den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg bis Mitte der 1960er Jahre, sowohl im zivilen wie auch im militärischen Luftverkehr, wobei sich der Turbojet in der militärischen Anwendung länger halten konnte.

Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan)

1960er] Hauptartikel: Turbofan Diese Triebweksart ist die heute gebräuchliche Form des Strahltriebwerks. Praktisch alle heute mit Strahlturbinen hergestellten Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet. Turbofan-Triebwerke zeichnen sich dabei durch mindestens zwei koaxiale Wellen und eine vergrößerte erste Kompressorstufe aus, die von einer eigenen Turbinenstufe angetrieben wird. Hinter ihr teilt sich der Luftstrom auf in einen inneren Luftstrom, der in die eigentliche Gasturbine gelangt, und einen äußeren Luftstrom, der außen an der Turbine vorbeigeführt wird. Herausstechendes technisches Merkmal eines Turbofans ist das Nebenstromverhältnis, also das Verhältnis der Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt, zu der Luftmenge, die außen durch den Fan strömt. Ein Turbofan bietet gegenüber einem Turbojet mehrere Vorteile:
- Besserer Wirkungsgrad des Triebwerkes durch die geringere mittlere Geschwindigkeit des Antriebsluftstrahles und damit geringerer Kraftstoff-Verbrauch.
- Reduzierung der Lärmentwicklung, indem die heißen, schnellen und damit lauten Turbinengase durch den umgebenden kühlen und ruhigeren Gasstrom der ersten Stufe gedämpft werden. Heutige Jagdflugzeuge verwenden, damit der Luftwiderstand durch einen großen Triebwerksdurchmesser und damit entsprechend großen Rumpfquerschnitt beim Überschallflug nicht zu hoch wird, Turbofantriebwerke mit relativ niedrigem Nebenstromverhältnis, also der Luftmenge die um die Brennkammer herum geleitet wird zu der Luftmenge die durch die Brennkammern geleitet wird, (bis etwa 1,5) und einer nur relativ geringen Lärmminderung gegenüber Turbojettriebwerken. Im zivilen Bereich und bei Transportmaschinen sind Triebwerke mit einem Nebenstromverhältnis bis etwa 9 im Einsatz.

Propellerturbine (Turboprop)

Nebenstromverhältnis Hauptartikel: Turboprop Eine Sonderform ist der Antrieb einer Luftschraube (Propeller) durch eine Turbine. Diese Antriebsart wird als Turboprop bezeichnet. Die Gasturbine verfügt dabei über mindestens zwei Wellen. Die Luftschraube wird durch ein Untersetzungsgetriebe der Antriebsturbine angetrieben. Erste Turboproptriebwerke entstanden bereits Ende der 1940er Jahre auf Basis von Turbojet-Triebwerken. Insbesondere im Kurzstreckenverkehr und bei mittleren Flughöhen ist der Turbopropantrieb der wirtschaftlichste Flugzeugantrieb. Auch die Lärmbelastung ist relativ gering, da der Abgasstrahl durch die Antriebsturbine stark beruhigt wird. Der Abgasstrom trägt dabei nur in relativ geringem Maße zum Vortrieb bei, ist aber trotzdem in der Leistungskalkulation bei der Wellenvergleichsleistung enthalten. Gegenüber Kolbentriebwerken zeichnet sich die Propellerturbine durch hohe Leistungsdichte und lange Wartungsintervalle aus. Eine vergleichbare Turbinenart kommt auch bei Hubschraubern zum Einsatz.

Staustrahltriebwerk

Hauptartikel: Staustrahltriebwerk Staustrahltriebwerk Bei Staustrahltriebwerken erfolgt die Verdichtung der der Brennkammer zugeführten Luft nicht durch mechanisch angetriebene bewegliche Teile (also Axial- oder Radialverdichter), sondern durch Ausnutzung des Staudrucks. Staustrahltriebwerke zeichnen sich durch größtmögliche Einfachheit aus, da sie fast keine beweglichen Teile benötigen. Der große Nachteil ist, dass sie nicht in der Lage sind, einen Standschub zu erzeugen. Bevor ein Staustrahltriebwerk Schub abgibt, muss es beschleunigt werden. Innerhalb der Gruppe der Staustrahltriebwerke kann man noch zwischen Ramjet- und Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet)-Triebwerken unterscheiden. Bei Letzterem behält die einströmende Luft auch nach der Verdichtung und in der Brennkammer Überschallgeschwindigkeit (Überschallverbrennung – Supersonic Combustion). Scramjet Während das Prinzip bereits vor dem Ersten Weltkrieg patentiert wurde, dauerte es mehr als 30 Jahre, bis das erste Staustrahltriebwerk lief. Im Zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung dieser Technik in Deutschland vorangetrieben, ein Versuchsexemplar wurde bereits an einer Dornier Do 217 im Fluge erprobt. In den 1950er Jahren wurden entsprechende Versuche insbesondere in Frankreich durchgeführt. Die Versuche gipfelten in dem Versuchsträger Nord Aviation N 1500 Griffon, letztlich scheiterten sie aber an dem nicht anzupassenden Staustrahltriebwerk. Staustrahltriebwerke werden heute bei weitreichenden und überschallschnellen unbemannten Flugkörpern eingesetzt. Sie konkurrieren dabei mit den Raketentriebwerken. Nord Aviation N 1500 Mit einem Scramjet-Antrieb wurde die X-43A betrieben, ein von der NASA entwickeltes Hyperschall-Flugzeug. Am 16. November 2004 erreichte der Flugkörper dabei für 10 Sekunden knapp die 10-fache Schallgeschwindigkeit, was die höchste je mit einem luftatmenden Triebwerk erreichte Geschwindigkeit darstellt.

Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk

Hauptartikel: Verpuffungsstrahltriebwerk Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerke sind im Vergleich zu Turbinenstrahltriebwerken ebenfalls relativ einfach zu fertigen. Im Unterschied zu anderen Strahltriebwerken verläuft die Verbrennung periodisch. Die geläufigsten Triebwerke besitzen eine Klappenvorrichtung (Flatterventil) zur Luftregulierung, eine Brennkammer und eine Entspannungszone, in der sich die heißen Gase beruhigen können. Wie bei einem Staustrahltriebwerk strömt die Luft selbstständig in das Triebwerk ein. Die Flatterventile öffnen sich und lassen Luft in die Brennkammer einströmen. Danach wird das Luft-Kraftstoffgemisch durch eine Zündkerze entzündet. Durch die Expansion und des daraus resultierenden Drucks schließen sich die Flatterventile, die Verbrennungsgase können nur nach hinten entweichen und erzeugen den Vortrieb. Nachdem das Gas das Triebwerk verlassen hat, kommt es zu einer Entspannung und zu einem erneuten Öffnen der Flatterventile. Dadurch kann frische Luft nachströmen, die von einem Druckstoß erneut gezündet wird. Dieser Ablauf wiederholt sich periodisch. Das System stellt einen Helmholtz-Resonator dar. Das Triebwerk liefert auch Standschub. Wie bei den Staustrahltriebwerken ist auch das Einsatzspektrum der Pulsstrahltriebwerke begrenzt. Bekanntester Vertreter dieser Triebwerkstechnologie im 2. Weltkrieg war die Vergeltungswaffe V1. Die Messerschmitt Me 328B von 1943 besaß zwei Pulsstrahltriebwerke vom Typ Argus As 014. Heutzutage wird das Verpuffungsstrahltriebwerk in der Luftfahrt nicht mehr verwendet. Zu den Nachteilen zählen die enorme Lautstärke (mit einem Schalldruck bis zu 140 dB), die durch die periodischen Zündungen entsteht, der relativ geringe Schub im Verhältnis zum verbrauchten Kraftstoff sowie die enorme Erwärmung des Triebwerkes (~1.000°C). Lediglich in verkleinertem Maßstab wird es bei Modellflugzeugen noch benutzt. = Geschichte =

Anfänge

Propellerflugzeuge erreichten maximale Geschwindigkeiten von rund 700 km/h, die durch verstellbare Luftschrauben und unterschiedliche Techniken zur Leistungssteigerung der Motoren noch geringfügig erhöht werden konnten. Jedoch ließ sich das Ziel, Flugzeuge zu bauen, die schneller als 800 km/h fliegen konnten, nicht realisieren, ohne eine neue Antriebstechnik zu entwickeln. Die bereits früh als beste Lösung erkannten Rückstoßantriebe ließen sich erst umsetzen, als man genügend Kenntnisse auf den Gebieten der Aerodynamik, der Thermodynamik sowie der Metallurgie hatte. Die erste selbständig laufende Gasturbine entwickelte der Norweger Aegidius Elling bereits im Jahre 1903, Victor de Karavodine entwickelte bereits im Jahre 1906 die Grundlagen des Verpuffungsstrahltriebwerks. Georges Marconnet schlug im Jahr 1909 diese Triebwerksart als Strahltriebwerk für Luftfahrtanwendungen vor. Trotz allem wurde das Turbinenstrahltriebwerk die erste Bauform, die, neben Raketen, ein Flugzeug antrieb. Eine Nebenlinie zur Herstellung eines Strahltriebwerks waren hybride Designs, bei denen die Kompression durch eine externe Energiequelle erfolgte. In einem solchen System (Thermojet von Secondo Campini) wurde die Luft durch ein Gebläse, das durch einen konventionellen Benzinmotor angetrieben wurde, mit dem Treibstoff vermischt und dann zur Schuberzeugung verbrannt. Es gab drei Exemplare dieser Bauart, und zwar Henri Coandas Coanda-1910, die viel später entwickelte Campini Caproni CC.2 und der japanische Tsu-11-Antrieb, der für die Ohka Kamikaze-Flugzeuge gegen Ende des Zweiten Weltkrieges vorgesehen war. Keiner dieser Antriebe war erfolgreich, die CC.2 stellte sich schließlich langsamer als ein konventionelles Flugzeug mit dem gleichen Motor heraus.

Triebwerksentwicklung von Frank Whittle

Zweiten Weltkrieges Frank Whittle reichte schon 1928 verschiedene Vorschläge zum Bau von Strahltriebwerken ein. Er dachte an ein Antriebssystem, das in einer Höhe von 35.000 m seine Arbeit verrichten sollte, konnte aber keine Partner gewinnen. Der Schlüssel zu einem verwendbaren Strahlantrieb war die Gasturbine, bei der die Energie zum Antrieb des Kompressors von der Turbine selbst stammte. Die Arbeit an einer solchen integrierten Bauart begann in England 1930. Whittle reichte entsprechende Patente für einen solchen Antrieb ein, die 1932 anerkannt wurden. Sein Triebwerk besaß eine einzige Turbinenstufe, die einen Zentrifugalkompressor antrieb. 1935 gründete Rolf Dudley Williams die Firma Power Jets Ltd. und setzte Whittle als Entwicklungschef ein. Whittle konstruierte ein Triebwerk, den Typ U, dessen erster Testlauf am 12. April 1937 erfolgte und gute Ergebnisse zeigte. Das Kriegsministerium stellte daraufhin Geld zur Verfügung, und es begann die Entwicklung des luftfahrttauglichen Typs W.1. Die Firma Gloster Aircraft wurde beauftragt, ein geeignetes Flugzeug herzustellen. So entstand das erstmals am 15. Mai 1941 geflogene Versuchsflugzeug E 28/39.

Triebwerksentwicklung von Hans von Ohain

E 28/39 Unabhängig von Whittles Arbeiten begann 1935 Hans von Ohain in Deutschland seine Arbeit an einem ähnlichen Triebwerk. Ohain wandte sich an Ernst Heinkel, der sofort die Vorteile des neuen Antriebskonzeptes erkannte. Ohain bildete zusammen mit seinem Mechanikermeister Max Hahn eine neue Abteilung innerhalb der Firma Heinkel. Der erste Antrieb - Heinkel HeS 1 - lief bereits 1937. Anders als Whittle benutzte Ohain zunächst Wasserstoff als Treibstoff, worauf er auch seine raschen Erfolge zurückführte. Die nachfolgenden Entwürfe fanden ihren Höhepunkt im Heinkel HeS 3 mit 550 kp (ca. 5,4 kN), das in die extra dafür konstruierte Heinkel He 178 eingebaut wurde. Nach einer beeindruckend kurzen Entwicklungszeit flog dieser Prototyp bereits im August 1939 als das erste Düsenflugzeug der Welt. Als erstes Strahltriebwerk in Serie wurde später das Jumo 004 ab 1942 produziert, welches unter anderem in der zweistrahligen Messerschmitt Me 262 zum Einsatz kam. Bis Kriegsende wurden etwa 5.000 Einheiten dieses Triebwerks produziert.

Militärische Entwicklung während des 2. Weltkrieges

Messerschmitt Me 262]Messerschmitt Me 262 Die deutschen Triebwerke waren durchweg mit einem Axialverdichter ausgerüstet und hatten so einen kleineren Durchmesser als die englischen Radialverdichter. Die Hauptentwicklungslinien waren das BMW 003 und das Junkers Jumo 004 Priorität der deutschen Entwicklungslinie hatte die Erhöhung der Geschwindigkeit; Kraftstoffverbrauch, Gewicht und Stabilität sollten im Laufe der Entwicklung verbessert werden. Nach 1941 galt es, eine neue Leistungsmarke von 800 kp (ca. 7,8 kN) zu erreichen. Man verwendete bald nicht mehr Normalbenzin, sondern Dieselkraftstoff, der leichter zu beschaffen war und einen höheren Siedepunkt hat. Man benötigte jetzt jedoch eine modifizierte Zündanlage. Bis zum Ende des Krieges wurden etwa 6.300 Triebwerke der Typen BMW-003 und Jumo 004 hergestellt, welche weiterhin Verbesserungen bei der Leistung erreichten, die später bei etwa 900 kp (ca. 8,8 kN) lag. Das Heinkel-Triebwerk HeS 11 lief bei Kriegsende mit 1300 kp (ca. 12,7 kN) und war das stärkste Turbojettriebwerk der Welt. Bei BMW und Heinkel befanden sich auch die ersten Propellerturbinen in der Entwicklung. Siedepunkt Auf der Basis des W.1 wurde in Großbritannien das Triebwerk Rolls-Royce Welland entwickelt, das etwa 7.56 kN Schub abgab. Dieses Triebwerk wurde anfangs in der Gloster Meteor verwendet. Eine weiter leistungsgesteigerte Variante war die Rolls-Royce Derwent, die ebenfalls in der Meteor Verwendung fand. Diese beiden Triebwerke waren die einzigen auf britischer Seite, die für Kampfflugzeuge eingesetzt wurden. Auf diesem Konzept - Radialverdichter, Rohrbrennkammer und Axialturbine - fußte die gesamte Entwicklungslinie der britischen Strahltriebwerkstechnik bis zum Anfang der 1950er Jahre. Das erste einsatzbereite amerikanische Strahltriebwerk war das General Electric J31, das ebenfalls über einen Radialverdichter und eine Axialturbine verfügte und in der Bell P-59 zum Einsatz kam. Das wesentlich leistungsfähigere Allison J33 beruhte auf dem de Havilland Goblin. Es wurde in der Lockheed P-80 eingesetzt und kam für den Einsatz im 2. Weltkrieg de facto zu spät. In der Sowjetunion und in Japan fanden während des 2. Weltkrieges keine wesentlichen Entwicklungen im Bereich der Strahltriebwerke statt,

Militärische Weiterentwicklung

Japan]] Das erarbeitete Wissen bildete mit die Grundlage für weitere Entwicklungen in den Militärbündnissen des Warschauer Pakts und in der NATO. Ziel der Entwicklungen war zunächst die Leistungssteigerung, ohne dass die Baugröße geändert werden musste. Das führte schnell zur Entwicklung der Nachbrennertriebwerke, die mit einem geringen zusätzlichen Gewicht eine wesentliche Leistungssteigerung brachten. Dies wurde jedoch auf Kosten des Kraftstoffverbrauchs erzielt. Typische Vertreter in den 1950er-Jahren waren im Westen das General Electric J79, im Osten das Tumanski R-11. Beide Triebwerke ermöglichten den Vorstoß in Geschwindigkeitsbereiche bis Mach 2. Die technischen Probleme waren weitestgehend gelöst. Erst der Vorstoß in Richtung Mach 3 Mitte der 1960er Jahre forderte eine Weiterentwicklung. In der Sowjetunion wurde das Tumanski R-31 entwickelt und in den USA das Pratt & Whitney J-58, welches zusätzlich mit einem besonders energiereichen Kraftstoff betrieben wurde. Mit dem Ende des Wettrennens um immer höhere Geschwindigkeiten und Flughöhen änderten sich auch die Anforderungen an die Triebwerke. Gefordert wurden nun hohe Leistungsdichte bei geringem Verbrauch, gute Beschleunigungsfähigkeit und Überschallfähigkeit. Dies führte zur Einführung von Turbofans auch im militärischen Bereich, etwa des Pratt & Whitney F100 oder des Tumanski R-33. Um den breiten Geschwindigkeitsbereich abdecken zu können, kamen teils sehr komplexe Lufteinläufe, auch bei einfachen Maschinen, zur Anwendung. Insgesamt wurden die Triebwerke immer leistungsfähiger, um den Kampfpiloten eine gute Chance bei Luftkämpfen ohne Einsatzmöglichkeit der Raketenbewaffnung zu geben.

Zivile Weiterentwicklung

Das erste zivile Flugzeug mit Strahlantrieb, eine Vickers Viking, die mit zwei Rolls-Royce Nene-Triebwerken von Propeller- auf Strahlantrieb umgerüstet worden war, absolvierte am 6. April 1948 seinen Erstflug und bewies die prinzipielle Verwendbarkeit dieser Antriebsform auch in der zivilen Luftfahrt. Es wurden zunächst militärisch verwendete Typen adaptiert und auch in der zivilen Luftfahrt eingesetzt. So fanden die Triebwerke des ersten strahlgetriebenen Verkehrsflugzeugs, der De Havilland Ghost, ebenfalls im Jagdflugzeug De Havilland DH.112 Venom Verwendung. Die Comet fand bei den Passagieren aufgrund des vibrationsfreien Flugs sehr guten Anklang. Durch die technischen Probleme der Comet, die jedoch nichts mit den neuen Triebwerken zu tun hatten, kam es Mitte der 1950er zu einer Stagnation in der Entwicklung von zivilen Strahltriebwerken. Es wurden Turboprop-Maschinen bevorzugt, und so kam dieser Triebwerkstyp in seiner Entwicklung gut voran. Er war ebenfalls fast vollkommen problemlos. Triebwerke dieser Entwicklungsphase, etwa das Rolls-Royce Dart, leiteten sich noch weitestgehend aus den Turbojettriebwerken der ersten Generation ab. Die Sowjetunion arbeitete an beiden Triebwerkstypen parallel. Das bisher leistungsstärkste Turboproptriebwerk, das Kusnezow NK-12, eigentlich für die Tupolew Tu-95 entwickelt, kam kurz darauf auch in der zivilen Tupolew Tu-114 zur Anwendung und bewies, dass die Leistungsbereiche von Turbojet- und Turboproptriebwerken nicht weit auseinander lagen, mit Vorteilen in der Geschwindigkeit beim Turbojet und Vorteilen beim Verbrauch beim Turboprop. Das Mikulin AM-3 der 1955 vorgestellten Tupolew Tu-104 war ebenso eine Ableitung aus einem militärischen Triebwerk wie das Pratt & Whitney JT3, das eigentlich ein militärisches Pratt & Whitney J57 ist. 1954 wurde der erste Turbofan vorgestellt, der Rolls-Royce Conway, der ebenso wie das Pratt & Whitney JT3D eine Ableitung eines Turbojettriebwerks mit einem relativ geringen Nebenstrom war. Das erste speziell für den zivilen Markt entwickelte Strahltriebwerk war das 1960 vorgestellte sowjetische Solowjew D-20, das gleichzeitig dieser Antriebsart auch die Kurzstrecke erschloss, da es im Vergleich zu den Turbojets auch bei geringen Geschwindigkeiten einen akzeptablen Verbrauch aufwies. Der Turbofan setzte sich schnell durch. Mitte der 1960er Jahre wurden praktisch keine zivil eingesetzten Turbojets mehr verkauft. Kleinere Strahltriebwerke wie das General Electric CJ-610 für Geschäftsreiseflugzeuge, etwa den Learjet, wurden Anfang der 1960er ebenso gefordert und auf den Markt gebracht wie die neuen Turbofans mit hohem Bypass-Verhältnis für die Wide-Body Maschinen, etwa die McDonnell Douglas DC-10 oder die Boeing 747. Typische Vertreter dieser Zeit waren das Rolls Royce RB.211, das General Electric CF6 oder das Pratt & Whitney JT9D. Die Sowjetunion hatte zu diesem Zeitpunkt den Anschluss bei den Turbofans etwas verloren. Die weitere Entwicklung schien jedoch auch auf dem zivilen Markt in Richtung Überschallverkehr zu zeigen, und so entwickelte man in Europa das Rolls-Royce Olympus 593, eine zivile Variante des militärischen Nachbrennertriebwerks für die Concorde, und das sowjetische Kusnezow NK-144, das auf dem militärischen Kusnezow NK-22 basierte, für die Tupolew Tu-144. Die erste Ölkrise und die damit verbundene explosive Kostensteigerung bei der Energienutzung zwang zu einem Umdenken. Es stand seit diesem Zeitpunkt die Triebwerkseffizienz bei Neuentwicklungen im Vordergrund. Das CFM 56 ist ein Vertreter dieser Zeit. Mit diesem Triebwerk wurden Umrüstprogramme für turbojetgetriebene Flugzeuge wie die Douglas DC-8 oder die Boeing 707 angeboten und erlaubten so eine Weiterverwendung dieser teilweise recht jungen Maschinen. Gleichzeitig wurde der Fluglärm ein zentrales Thema, aber auch hier halfen die modernen Triebwerke.

Aktuelle Zivile Entwicklung

Fluglärm Dies Entwicklungstendenz zeigt weiter zum sparsameren, effizienteren und umweltfreundlicheren Triebwerk. Grundsätzlich geht es bei den zivilen Strahlantrieben in Richtung höhere Verdichtung, höhere Brennkammertemperatur, höheres Bypassverhältnis, höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer der Triebwerke. Aktuelle Triebwerkstypen wie das General Electrics GE90, das Pratt & Whitney PW4000 oder das Rolls-Royce Trend 800 benötigen dabei pro kp/h Schub 45 % weniger Kraftstoff als die Turbojets der ersten Generation. Der Triebwerksdurchmesser dieser Aggregate erreicht dabei bis zu 3,5 m bei einem Schub von annähernd 55 Tonnen (GE90-115B). Gleichzeitig ist man beim Triebwerksdurchmesser bei einer kritischen Größe angekommen, da die Enden der Turbinenblätter des Fans fast Überschallgeschwindigkeit erreichen. Dies bedeutet, dass die nächste Generation der Strahltriebwerke ein Untersetzungsgetriebe für den Fan bekommen wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Fanschaufeln last- und drehzahlabhängig zu verstellen. Insgesamt nähert sich der Fan so einer gekapselten Luftschraube (engl.: Ducted Fan). Noch einen Schritt weiter geht die CRISP (engl.: counter-rotating integrated shrouded propfan)-Technologie, bei der zwei verstellbare, gegenläufige Luftschrauben in einem Fan-Gehäuse sitzen. Diese Triebwerke, etwa das Samara NK93, erreichen bei akzeptablen äußeren Abmessungen bereits ein Nebenstromverhältnis von 16,6. Mehrstufige Brennkammern zeigen ein günstigeres Verhalten bei NOx (bis zu 40% weniger Stickoxide), liegen bei den CO-Werten aber an der oberen Grenze und zeigen besonders im Leerlauf einen erhöhten Verbrauch. Eine weitere Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu verbessern, ist die Verwendung eines Abgaswärmetauschers mit einem Zwischenkühler. Dabei wird die Abgastemperatur gesenkt und die Luft vor der Brennkammer erwärmt. Des Weiteren werden beim Verdichter zunehmend Blisk-Komponenten verarbeitet, bei denen Turbinenschaufel und Turbinenrad aus einem Stück gefertigt werden oder nach der Einzelfertigung durch ein Reibschweißverfahren zusammengefügt werden. Dies ergibt ebenfalls Vorteile im Wirkungsgrad, da die Komponenten höher belastet werden können Auch werden für die Nutzung regenerativer Energien Triebwerke mit Wasserstoff als Treibstoff bereitgehalten. Dieser Treibstoff ist für Gasturbinen vollkommen problemlos. Jedoch ist die Unterbringung entsprechender Tanks im Flugzeug noch nicht abschließend geklärt. Insgesamt bereinigt sich der Markt der Anbieter und es kommt zu globalen Allianzen am Triebwerksmarkt. Im Kurzstreckenbereich finden jedoch nach wie vor langsamere und kraftstoffsparende Flugzeuge mit Propellerturbinen ihr Einsatzgebiet, da sie unter diesen Betriebsbedingungen günstiger sind.

Literatur

- ROLLS-ROYCE: the Jet engine, ISBN 0-902121-04-9 (in engl.; sehr gut bebildert)
- Hans Rick: Gasturbinen-Flugtriebwerke, Kurzke, ISBN 3-540555-86-2
- Klaus Hünecke: Flugtriebwerke. Ihre Technik und Funktion ISBN 3879434077

Weblinks

- [http://www.exl.at/helicopter/turbinen/turbinen.htm Detaillierte Beschreibung]
- [http://www.geae.com General Electric]
- [http://www.rolls-royce.com Rolls Royce]
- [http://www.pratt-whitney.com Pratt&Whitney]
- [http://www.mtu.de MTU]
- [http://www.cfm56.com CFM]
- [http://motor-s.ru/Home_en.htm JSC MOTOROSTROITEL (Samara)]
- [http://www.pmz.ru/?language=en Perm Motors Group]
- [http://www.aerotech.de Aerotech Peissenberg]

Software

- [http://www.gasturb.de/Download/Free_Software/free_software.html Fluggasturbinenberechnung] Kategorie:Triebwerkstyp ja:ジェットエンジン

Rückstoßantrieb

Der Rückstoßantrieb oder Reaktionsantrieb ist eine praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms. Das angetriebene Objekt (zum Beispiel ein Flugzeug oder eine Rakete) wird mit der gleichen Kraft nach vorn getrieben, mit der es die Produkte seines Triebwerks nach hinten schleudert. Der Rückstoßantrieb arbeitet in jeder Umgebung, aber am besten im Vakuum. Es ist also kein Medium notwendig von dem sich das angetriebene Objekt (der Flugkörper) abstößt. Technische Realisierungen:
- Aeolipile
eine durch Dampf angetriebene Turbine, erfunden von Heron von Alexandria
- Raketentriebwerk
- Staustrahltriebwerk
- Strahltriebwerk
- Ionenantrieb
- Magnethydrodynamischer Antrieb
- Magnetoplasmadynamischer Antrieb Tintenfische wie Kalmare und Sepien bewegen sich, wenn es die Situation erfordert, mit hoher Geschwindigkeit entgegen ihrer normalen Bewegungsrichtung, in dem sie Wasser nach vorne ausstoßen. Kategorie:Technische Mechanik Kategorie:Raketentechnik Kategorie:Luftfahrttechnik

Fluid

Ein Fluid ist ein Stoff mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften, der als Kontinuum betrachtet wird. Alle Gase und Flüssigkeiten sind Fluide. Gase und Flüssigkeiten werden zu Fluiden zusammengefasst, weil viele Eigenschaften von Gasen sich nur in ihrer Größenordnung (quantitativ), aber nicht grundsätzlich (qualitativ) von den Eigenschaften von Flüssigkeiten unterscheiden. Fluide verformen sich unter dem Einfluss von Scherspannungen unbegrenzt. Im Ruhezustand können diese Fluide jedoch keine Schubspannungen aufnehmen, sondern nur Normalspannungen, die durch eine skalare Größe, den sogenannten Druck beschrieben wird. Diese Eigenschaft bewirkt, dass ein ruhendes Fluid im Schwerkraftfeld den waagerechten Boden eines Gefäßes stets vollständig bedeckt. Fluide werden grundsätzlich in:
- Newtonsche Fluide oder
- Nicht-Newtonsche Fluide unterteilt. Zur Klassifizierung wird der funktionale Zusammenhang von Schub-/Scherspannung und Verzerrungsgeschwindigkeit, der das Fließverhalten des Mediums beschreibt, herangezogen. Die Rheologie ist die Wissenschaft der Nicht-Newtonschen Fluide, während die Strömungsmechanik sich im wesentlichen mit den physikalischen Eigenschaften und Bewegungen der Newtonschen Fluide beschäftigt. Kategorie:Strömungslehre

Sauerstoff

Sauerstoff (auch Oxygenium; von griech. oxýs „scharf, spitz, sauer“ und genese „erzeugen“) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8. Atomarer Sauerstoff, das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt in der Natur nicht vor. Elementar tritt Sauerstoff überwiegend in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen, auf (molekularer Sauerstoff, auch Dioxygen, Disauerstoff, Summenformel O₂). Die wenig stabile allotrope Form aus drei Sauerstoffatomen (O₃) wird Ozon genannt. Flüssiger Sauerstoff wird in der Raketentechnik als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX (liquid oxigen) abgekürzt.

Geschichte

Sauerstoff wurde 1774 unabhängig voneinander durch Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele entdeckt. Von der Urzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine unerklärliche Erscheinung. Lange Zeit wurde es von den Menschen als Gabe des Himmels hingenommen. Die Chemiker des Mittelalters, die sog. Alchimisten, fingen an, sich über das Wesen des Feuers Gedanken zu machen. Sie kamen dabei zu der Ansicht, das Feuer sei ein Grundstoff. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts suchte man eine Erklärung für die Verbrennung. Die Forscher vermuteten einen „leichten geheimnisvollen Stoff“, der aus dem brennenden Stoff entweicht. Bei dieser Annahme blieb man auch dann noch, als der schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele 1772 den Sauerstoff entdeckte. Er nannte ihn lange Zeit Feuerluft. Neben dem Sauerstoff erforschte der Deutsch-Schwede mit einfachsten Hilfsmitteln aus seiner Apotheke Ammoniak, Stickstoff und andere chemische Stoffe. Er konnte sich aber nicht erklären, wie Verbrennung mit Sauerstoff zusammenhängt. Völlig unabhängig von Scheeles Entdeckungen kam der Engländer Joseph Priestley zu gleichen Forschungsergebnissen, allerdings 2 Jahre später.
Obwohl Scheele zeitlich früher als Priestley den Sauerstoff entdeckte, kamen seine Ergebnisse später an die Öffentlichkeit. Die Ursache dafür war die schleppende Veröffentlichung durch die Presse. Der Sauerstoff war erforscht, doch seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Dafür sorgte der Franzose Antoine Lavoisier. Beim Experimentieren kam er zu dem Ergebnis, dass sich bei der Verbrennung ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. Er konnte mit einer Waage nachweisen, dass ein Stoff beim Brennen nicht leichter, sondern schwerer wird. Der Grund dafür ist das Gewicht des Sauerstoffs, der während der Verbrennung aufgenommen wird. Die Erklärung der Verbrennung, die uns heute selbstverständlich, notwendig und unabkömmlich erscheint, ist also das Ergebnis langen Forschens.

Etymologie

Früher machte man den Sauerstoff für die Bildung von Säuren verantwortlich. Tatsächlich entstehen die meisten anorganischen Säuren bei der Lösung von Nichtmetalloxiden in Wasser, welches aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht. Dass aber nicht der Sauerstoff, sondern der Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war, erkannte man erst später; ein Beweis ist die Salzsäure, sie ist auch als Gas eine Säure und besteht aus der Verbindung von Chlor mit Wasserstoff und enthält keinen Sauerstoff. So müsste eigentlich der Sauerstoff Wasserstoff und der Wasserstoff Sauerstoff heißen. Der Begriff Sauerstoff (Oxygenium) wurde 1779 von Lavoisier vorgeschlagen.

Vorkommen

Das Element Sauerstoff stellt in der Erdhülle mit 49,4 Masse-% das häufigste, im Weltall das dritthäufigste Element dar. Eine bedeutende Form des Sauerstoffs ist O₂, unter Normalbedingungen ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es ist ein Bestandteil der Luft (etwa 21 Volumenprozent) und in Gewässern gelöst. In der Luft hält sich der relativ reaktionsfreudige Sauerstoff auf Dauer nur wegen der Tatsache, dass die Erde Lebewesen beherbergt, die Sauerstoff produzieren - ansonsten würde er nur in Verbindungen vorkommen. Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentrationen in der Erdatmosphäre wird im Artikel Entwicklung der Erdatmosphäre beschrieben. Häufig kommt Sauerstoff in Verbindungen mit anderen Elementen als Oxid vor. (z.B.: als SiO₂ - Sand oder H₂O - Wasser)

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Molekülorbital-Verfahren

Oxid Das Sauerstoff-Atom hat 6 Valenzelektronen auf dem 2. Hauptenergieniveau. Die 12 Valenzelektronen eines Sauerstoffmoleküls werden auf vier bindende (s_s, s_x, p_y, und p_z) aber nur drei antibindende Molekülorbitale (s_s^-, p_y^-, p_z^-) verteilt. Die bindenden x-, y- und z-Molekülorbitale ergeben eine Dreifachbindung. Dieses Modell entspricht eher dem Bindungsabstand von 121 pm und der Bindungsenergie von 626 kJ/mol als das Doppelbindungsmodell. Außerdem erklärt dieses Modell den Paramagnetismus und den radikalischen Charakter des Sauerstoffs, der durch die beiden ungepaarten Elektronen der antibindendem p-Molekülorbitale hervorgerufen wird.

Singulett- und Triplet-Sauerstoff

Gegenüber der langläufigen Meinung handelt es sich beim Sauerstoff-Molekül um zwei ungepaarte Elektronen. Die Sauerstoffatome sind durch eine Einfachbindung verbunden, jedes Sauerstoffatom besitzt zwei Elektronenpaare sowie ein ungepaartes Elektron, deren Spin entweder gleich (Triplett-Sauerstoff) oder entgegengesetzt (Singulett-Sauerstoff) gerichtet ist. Dabei ist der Triplett-Zustand energieärmer. Die Änderung des elektronischen Zustands kann nur über photochemischen Weg oder durch Kollision erfolgen.

Sauerstoff-Ionen

Von Sauerstoff sind folgende Radikalionen bekannt: Dioxygenyl O₂⁺, Hyperoxid (veraltet: Superoxid) O₂^- und Ozonid O₃^-. Closed-shell-Ionen sind das Oxid O^2- sowie das Peroxid O₂^2-.

Chemische Eigenschaften

Die bekannteste chemische Reaktion ist die Oxidation.

Isotope

Das häufigste stabile Sauerstoffisotop ist ¹⁶O, daneben kommt natürlich noch ¹⁸O vor. Ihr Anteilsverhältnis in Eisbohrkernen kann zur Schätzung der Durchschnittstemperatur früherer Zeiten dienen, da Wassermoleküle mit dem leichteren ¹⁶O schneller verdunsten. Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an ¹⁸O stammen demnach aus wärmeren Zeiten. Umgekehrt regnen Wassermoleküle mit dem schwereren Isotop schneller ab, so dass Regenwasser einen höheren ¹⁸O-Gehalt aufweist als z.B. See- oder Meerwasser. Auch gibt es regionale Unterschiede in der ¹⁸O-Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle. Siehe auch: Klimaerwärmung, Ötzi

Verbindungen

Einige bekannte Verbindungen, in denen Sauerstoff vorkommt:
- Oxide
- Wasser
- Kohlendioxid, Kohlenmonoxid
- Siliziumdioxid
- Hämatit
- Peroxide
- schweflige Säure
- Schwefelsäure
- Zucker
- Zirkon
- Silikate

Gewinnung/Darstellung von O₂

Sauerstoff als O₂ wird heutzutage durch die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft (Linde-Verfahren nach Carl von Linde) hergestellt. Dieses beruht auf dem Joule-Thomson-Effekt. Das Linde-Verfahren wird seit 1905 technisch eingesetzt. Davor war die Thermolyse von Bariumperoxid die einzige Möglichkeit, Sauerstoff großtechnisch aus Luft herzustellen:

2\,\mathrm_2 \rightarrow 2\,\mathrm + \mathrm_2

(bei 700°C) BaO₂ selbst kann man durch Einwirken von O₂ auf BaO bei 500°C erzeugen. Reinsten Sauerstoff erhält man durch die Elektrolyse von Kalilauge: Kathodenreaktion:

2\,\mathrm^++2\,e^-\rightarrow 2\,\mathrm

Kathodenreaktion 2:

2\,\mathrm+2\,\mathrm_2\mathrm\rightarrow 2\,\mathrm+\mathrm_2

Anodenreaktion 1:

2\,\mathrm^- \rightarrow 2\,\mathrm + 2\,e^-

Anodenreaktion 2:

2\,\mathrm \rightarrow \mathrm_2\mathrm + 1/2\;\mathrm_2

O₂ wird ebenfalls bei der Spaltung von Oxiden frei. Am leichtesten (mit geringster Temperatur) erreicht man dies durch Spaltung von Edelmetalloxiden. Z. B.:

2\,\mathrm_2\mathrm \rightarrow 4\,\mathrm + \mathrm_2

(bei T > 160°C)

Biologische Bedeutung

Sauerstoff wird von Cyanobakterien, Algen und Pflanzen bei der oxygenen Photosynthese aus Wasser freigesetzt. Die Cyanobakterien (veraltet auch als Blaualgen bezeichnet) waren dabei die ersten Organismen, die molekularen Sauerstoff als ihr Abfallprodukt in der Atmosphäre anreicherten.
Eukaryotische Organsimen - also auch der Mensch - benötigen heute diesen Sauerstoff in Form von O₂ für ihren Stoffwechsel. Er fungiert dabei wie in einer normalen Redoxreaktion als Elektronenakzeptor, wobei er sich wieder mit Wasserstoff zu Wasser verbindet. Dies entspricht einer kontrollierten Knallgasreaktion. Sie läuft im Rahmen der Atmungskette bei den Eukaryoten in den Mitochondrien ab.
Bei den Prokaryonten gibt es aerobe und anaerobe Mikroorganismen. Anaerobe nutzen einen anderen Elektronenakzeptor, der aber zum Teil auch eine Sauerstoffverbidnung wie Nitrat oder Sulfat sein kann. Die starke Reaktivität der Sauerstoffionen, die auch im Stoffwechsel von Lebewesen entstehen, können Zellstrukturen zerstören und machen Schutzenzyme notwendig. Daher ist Sauerstoff für einige Mikroorganismen toxisch und wird nicht zuletzt für bestimmte Alterungseffekte beim Menschen verantwortlich gemacht.

Weitere Probleme:
- Atmung bei Hochdruck
- Tauchen/siehe auch Apollo 1)

Nachweis und Konzentrationsmessung

Sauerstoff kann dadurch nachgewiesen werden, dass er Verbrennungen unterhält. Am einfachsten ist die sogenannte Glimmspanprobe, bei der ein leicht glühender Holzspan in das zu untersuchende Gasgemisch gehalten wird, ein Aufleuchten weist auf hohe Sauerstoffkonzentrationen hin. Zur genaueren Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eines Gases finden unterschiedliche Meßverfahren Anwendung, die von dem jeweils zu erfassenden Konzentrationsbereich sowie den begleitenden Substanzen abhängen. Man kann physikalische und chemische Meßverfahren unterscheiden. Zu den physikalischen Meßverfahren zählt das paramagnetische Verfahren. Es geht von der Tatsache aus, daß die Sauerstoffmoleküle auf Grund ihres permanenten magnetischen Dipolmoments paramagnetisch sind, alle anderen Gase mit geringen Ausnahmen diamagnetisch sind. Bei der meßtechnischen Realisierung in sog. thermomagnetischen Geräten wird das Meßgas der Wirkung eines Magnetfeldes und anschließend in einem Teilstrom einem Temperaturfeld ausgesetzt. Es entsteht in der Meßzelle eine Gasströmung, der sog. "magnetische Wind". Die Geräte können auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgebildet werden. Ein weit verbreitetes elektrochemisches Meßverfahren nutzt die Sauerstoffleitfähigkeit von Zirkondioxid aus. Leitet man das sauerstoffhaltige Meßgas beispielsweise durch ein auf über 700 °C erhitztes Zirkondioxid-Röhrchen, das innen und außen Elektroden trägt und außen der Umgebungsluft ausgesetzt ist, dann entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung, die nach dem Nernstschen Gesetz von der absoluten Elektrodentemperatur und dem Verhältnis der Sauerstoffpartialdrücke an den beiden Elektroden abhängt. Der Sauerstoffpartialdruck der Luft dient hierbei als bekannte und konstante Vergleichsgröße. Bevorzugte Anwendungen sind Rauchgasmeßsonden und die in den Kraftfahrzeugen verwendeten Lambda-Sonden. Mit Hilfe von Zirkondioxid-Sensoren können ohne Probleme einerseits Sauerstoffpartialdrücke im ppm-Bereich (parts per million) und andererseits bei hohen Temperaturen (ca. 1.500 °C) gemessen werden.

Siehe auch

- Knallgasreaktion
- Carbogen
- Oxidation
- Phlogiston
- Hydroxid
- Rost (Korrosion)
- Ozon

Weblinks

- [http://www.hcrs.at/LIQUIDO2.HTM flüssiger Sauerstoff]
- [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node26.php Sauerstoff: Darstellung, Sigulett Triplett, Ozon]
- [http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/arbeitsvorschrift.htm Reaktion mit Singulett Sauerstoff] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Chalkogen Kategorie:Periode-2-Element Kategorie:Gas Kategorie:Nichtmetall als:Sauerstoff ja:酸素 ko:산소 ms:Oksigen simple:Oxygen th:ออกซิเจน

Luftverkehr

Luftverkehr ist der Verkehr mit Hilfe von Luftfahrzeugen, insbesondere Flugzeugen. Zunächst mit der Einführung der Strahltriebwerke, dann vor allem im Zuge der Liberalisierung des Luftverkehrs ist der Luftverkehr stark angestiegen und bildet heute einen wichigen Teil der modernen Verkehrsinfrastruktur. Luftverkehr wird typischerweise mit Hilfe von Flughäfen abgewickelt. Hubschrauber und Militärflugzeuge sind in der Lage, Transportleistungen auch auf Straßen, Plätzen oder auf Schiffen ausreichend sicher zu erbringen. Grundlage des Luftverkehrs sind die sog. Freiheiten der Luft, die von der ICAO ausgearbeitet worden sind. Des weiteren spielen bilaterale Verkehrsrechte sowie das internationale Verfahren zur Slot-Vergabe eine elementare Rolle. Die meisten Fluggesellschaften sind der IATA angeschlossen, ca. 250 von weltweit mehreren Tausend. Die größte deutsche Fluggesellschaft ist die Deutsche Lufthansa AG. Flüge die innerhalb eines Staates stattfinden bezeichnet man als Inlandsflüge. Diese werden wegen des geringeren Passagieraufkommens meist mit kleineren Flugzeugtypen ausgeführt. Die volkswirtschaftlichen Auswirkungen des Luftverkehrs sind teils positiv, teils negativ.

Vorteile

Luftverkehr bewirkt Arbeitsplätze im Bereich der Flughäfen, der Luftverkehrsgesellschaften und der Flugzeugindustrie. Er ermöglicht erst den internationalen Handel und ist damit wichtiger Exportmotor. Luftverkehr steht im Wettbewerb mit der Straße und Schiene bei Flugdistanzen von weniger als 400 km. Ab etwa 400 - 800 km Distanz ist der Luftverkehr den anderen Verkehrsmodi in der Geschwindigkeit überlegen. Im interkontinentalen Verkehr ist der Luftverkehr nicht durch vergleichbar schnelle Verkehrsmittel zu ersetzen. Durch Luftverkehr ist ein schnellerer Gütertransport möglich und daher für besonders eilbedürftige und wertvolle Frachtgüter geeignet. Im Bereich des Katastrophenschutzes sind Transporte durch Luftverkehr häufig nötig, um rasch Hilfe zu bringen. Der Landschaftsverbrauch für Flughäfen ist weitaus geringer als dies für Eisenbahnstrecken und Autobahnen bzw. -straßen der Fall ist, die häufig Lebensräume und naturbelassene Landschaften durchtrennen. Der gewerbliche Luftverkehr ist von Mineralölsteuer, Ökosteuer und Mehrwertsteuer befreit. Für den nicht-EU-Verkehr entspricht dies internationalen Abkommen. Der Luftverkehr ist der einzige Verkehrszweig, der seine technischen Wegekosten (z. B. über Flugsicherungsgebühren, Landeentgelte, etc.) vollständig selbst finanziert - im Gegensatz zu Straßenverkehr und Bahn, deren Infrastruktur in hohem Masse über Steuern finanziert werden.

Nachteile

Der Hauptnachteil von Luftverkehr ist, dass er im Vergleich mit beispielsweise der Bahn eher geringe Mengen an Gütern transportieren kann. Hauptursache dafür ist logischer Weise, dass ein Flugzeug nur ein bestimmtes Maximalgewícht transortieren darf, um sicher landen und starten zu können. Insbesondere der Billigflugverkehr führt zu einem Verdrängungswettbewerb zu Lasten umweltfreundlicherer Verkehrsträger. Außerdem sorgt die moderne Technik dafür, dass Arbeitsplätze teilweise abgebaut werden müssen. Neben den geringen Transportgewicht ist sicher auch der hohe Verbrauch an Treibstoff ein erheblicher Nachteil. Als Vergliech dient dazu die Bahn: wenn man die Bahn voll auslastet, ist sie wesentlich kostengünstiger als das Flugzeug. Die klimaschädigende Wirkung des Treibstoffes beruht insbesondere auf der Erzeugung von Kohlenstoffdioxid und atmosphärischen Wasserdampf in großer Höhe. An zahlreichen Flughäfen (z.B. Lübeck, Kiel, Flughafen Frankfurt-Hahn, Magdeburg) wird der Flugverkehr nur durch erhebliche Subventionen aufrecht erhalten. Durch die Steuerbefreiung kommt der Luftverkehr nicht für die durch ihn verursachten Beeinträchtigungen von Natur und Umwelt auf. Besonders die Lärmbelästigung durch Flugzeuge stellt insbesondere für die Anwohner von Flughäfen ein Problem dar. Insgesamt werden nach Angaben des Umweltbundesamtes rund 30% der deutschen Einwohner durch Fluglärm belastet. Der Luftverkehr stellt damit nach dem Straßenverkehr die zweitstärkste Lärmquelle dar.

Siehe auch

- Portal:Luftfahrt
- Luftfahrt
- Luftfahrzeug
- Verkehrsluftschiff
- Luftsicherheit
- Luftfahrtgesellschaft
- Fluggesellschaft
- Airline !Luftverkehr

Luft

Luft bezeichnet das Gasgemisch der Erdatmosphäre und besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlenstoffdioxid (0,03 %) vor. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Zusammensetzung

Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechten Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen differenziert.

Stickstoff

Als ein chemisch inertes Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff äußerst reaktionsträge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt werden, die ihn für den Aufbau ihrer Aminosäuren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre.

Sauerstoff

Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihrer oxidierenden Charakter. Der Sauerstofff wird unter anderem für alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.

Argon

Argon ist ein vergleichsweise gut wasserlösliches Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne weitere Bedeutung.

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht komplett trocken, deshalb enthält diese zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit null bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf, der Rest der Luft teilt sich dann nach den nach den in der Tabelle angegebenen Werten auf. Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben.

Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen. Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlendioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursache für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlendioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen, denn gerade anthropogene Emissionen können deren geringe Konzentrationen schon bei vergleichsweise unmaßgeblichen Ausstoßmengen beeinflussen. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Variabilität im Raum

globale Erwärmung in Abhängkeit von der Höhe.]] Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitesgehende Gültigkeit in der gesamten Homosphäre, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der Atmosphärenchemie wirken, gibt es jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.

Substanzen geringerer Konzentration

Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenmonoxid und Ozon vorhanden. Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:
- Fluoroform
- Peroxiacetylnitrat
- Chloroxide
- andere Stickoxide (neben N₂O)
- Schwefeldioxid
- Radon
- Quecksilber

Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO₂-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen. Als übergeordneter Trend wird eine stetige Zunahme des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre gemessen, wobei die Konzentration Mitte des 18. Jahrhunderts bei etwa 280 ppmv lag. Dies entspricht einer Steigerung von etwa 40 %, wobei die Steigerungsraten selbst immer weiter zunahmen und auch heute noch zunehmen. Sie liegen bei etwa 1,6 ppmv/a. Die Quellen hierfür sind vielschichtig, haben den Kohlenstoffzyklus jedoch nachhaltig destabilisiert und tragen über den anthropogenen Treibhauseffekt zur globalen Erwärmung bei. Lokal und gerade nahe industriellen Ballungsgebieten kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration auch deutlich über den Normalwerten liegen. Werte von 400 ppmv sind dabei recht häufig. Den Rekord hat der ehemalige Londoner Wintersmog mit 3.000 ppmv (0,3 %) aufgestellt.

Ozon

Ozonwerte werden nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-Einheit angegeben. Da die Werte zudem von der Höhe (Ozonschicht, Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m³.

Luftdruck

Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung beschleunigten Luftsäule erzeugt einen statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig.

Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfs an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte quantifiziert.

Andere

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s. In Näherung zur trockenen Luft, mit den molaren Massen aus den jeweiligen Artikeln der einzelnen Elemente und den entsprechenden Naturkonstanten, besitzt Luft eine molare Masse von 28,9634 g/mol. Der Brechzahl der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Sie hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft. Spezifische Wärmekapazität: :

c_p

= 1,005 kJ/(kg K) = 0,279 kWh/(Tonne K) (isobar) :

c_v

= 0,718 kJ/(kg K) = 0,199 kWh/(Tonne K) (isochor)

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverschmutzung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichtkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen). In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel Russland oder China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Siehe auch

- Luftverflüssigung

Weblinks

- [http://www.cmdl.noaa.gov/hats/graphs/graphs.html Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 15 Jahre] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Stoffgemisch Kategorie:Gas ja:空気 ko:대기 ms:Udara simple:Air

Verdichter

] Ein Verdichter ist eine Fluidenergiemaschine, die zum Komprimieren von Gasen Verwendung findet.

Grundlagen

Verkleinert man das Volumen eines Gases, so spricht man von Verdichten bzw. Komprimieren. Entsprechende Geräte heißen Verdichter oder Kompressoren. Bei Verdichtungsvorgängen wird ein vorhandenes Ansaugvolumen V₁ mit dem Betriebsdruck p₁ zu einem kleineren Volumen V₂ zusammengepresst. In dem kleineren Volumen V₂ herrscht ein erhöhter Druck p₂. Für Verdichtungsvorgänge gilt bei konstant bleibender Temperatur das Boyle-Mariottesche Gesetz.
Bei der Anwendung dieses Gesetzes ist darauf zu achten, dass p₁ und p₂ absolute Drücke sind. Alle Druckangaben bei pneumatischen Anlagen beziehen sich jedoch auf den Überdruck Pe gegenüber dem atmosphärischen Druck. Andernfalls werden Druckangaben besonders gekennzeichnet.
- Druckangaben in der Pneumatik beziehen sich auf Überdruck
- Druckmessgeräte in der Pneumatik sind auf Überdruck eingestellt

Bauformen

Boyle-Mariottesche Gesetz Boyle-Mariottesche Gesetz Verdichter unterscheidet man nach der Art der Druckerzeugung.

Verdichter nach dem Verdrängerprinzip

Bei dieser Bauform wird ein Volumen gekapselt, verdichtet und wieder ausgestossen. Diese Verdichter arbeiten zyklisch und zeichnen sich durch geringe Volumenströme und hohe Druckverhältnisse aus.
- Hubkolbenverdichter
- Lamellenverdichter
- Rotorverdichter
- Labyrinth-Kolben-Verdichter
- Schraubenverdichter
- Roots-Gebläse
- Scrollverdichter ("VW G-Lader")

Schraubenverdichter

Schraubenverdichter Der Rotationsverdichter gehört zu den rotierenden, einwelligen Verdrängerverdichtern mit innerer Verdichtung. Er zeichnet sich durch einfachen Aufbau, kleine Abmessungen, geringe Masse, gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung, ruhigen Lauf und das Fehlen von oszillierenden Massen und Steuerorganen aus. Aus der Obergruppe Rotationsverdichter stammen die Schraubenverdichter ab. Schraubenverdichter gehören zu der Gruppe der Rotationsverdichter. Die Idee zum Bau eines Schraubenverdichters entstand schon im Jahre 1878, konnte jedoch wegen der technischen Schwierigkeiten bei der Herstellung nicht realisiert werden. Etwa ein halbes Jahrhundert später, im Jahre 1930, hatte man dann die fertigungstechnischen Voraussetzungen dafür, um die komplizierte Schraubengeometrie herzustellen. Einem schwedischen Ingenieur namens Alfred Lysholm gelang es den ersten Schraubenkompressor der Welt herzustellen und erfolgreich einzusetzen. Anfänglich konnte sich der Kompressor jedoch gegenüber dem gängigen Kolbenkompressor nicht durchsetzten. Die internen Verluste an den Schrauben waren zu groß, um von einem effektiven und vor allem einer Alternative dem Kolbenkompressor zu sprechen. Wiederum 40 Jahre mussten vergehen bis dann endlich der entscheidende Punkt in der Verbesserung des Wirkungsgrades gefunden wurde. Eine Öleinspritzung in die Kompressorstufe senkte die Verlustrate erheblich und dient dem Kompressorblock gleichzeitig als Kühlung. Außerdem konnten dann statt der bisher gängigen Gleitlager, Wälzlager eingesetzt werden. Insgesamt führte diese Erkenntnis zu sehr einfach gebauten, aber dennoch robusten Verdichtern. Schraubenverdichter haben sich in der Technik bewährt und bilden ca. die Hälfte aller laufender Kompressoren zur heutigen Zeit. Funktionsweise: In einem Schraubenkompressorblock (siehe Abbildung) sind zwei Rotoren, der angetrieben Hauptrotor und der Nebenrotor, parallel in einem Gehäuse angeordnet und stehen miteinender im Eingriff. Wie bei einem Zahnradpaar drehen sich die Rotoren in gegenläufiger Richtung. Durch unterschiedliche Zähnezahlen drehen sich diese mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten. Über eine im Gehäuse angeordnete Ansaugöffnung strömt das zu komprimierende Gas in den Zahnlückenraum.(1) Hohlräume zwischen den beiden Rotoren und dem Gehäuse schließen bei Überstreichung der Einlassteuerkante ein bestimmtes Gasvolumen ein.(2) Dadurch ist der Arbeitsraum geschlossen und die Verdichtung beginnt. Bedingt durch die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der Rotoren wird dieses eingeschlossenen Volumen kontinuierlich kleiner. Bei erreichen der Auslasssteuerkante ist der Verdichtungsprozess beendet.(3) Durch das Weiterdrehen der Schrauben wird das Medium unter Druck geschoben.(4) Bei dem kompletten Verdichtungsprozess findet ein ruhiger und schwingungsarmer Lauf ohne freie Massenkräfte statt. Dies sind auch die entscheidenden Vorteile gegenüber einem Kolbenverdichter.

Turboverdichter

Hierbei wird durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik dem strömenden Fluid Energie zugesetzt. Diese Bauart arbeitet kontinuierlich und zeichnet sich durch geringe Druckerhöhung pro Stufe und hohen Volumendurchsatz aus. Radial- und Axialverdichter sind die beiden Hauptbauarten für Turboverdichter. Beim Axialverdichter strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Achse durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig. Eingesetzt werden diese Verdichter etwa als
- Abgasturbolader
- Verdichter in Strahltriebwerken. Hier erhöht sich der Druck jedoch nur gering durch den sich verengenden Kanalquerschnitt,sondern vielmehr dadurch, dass der Zwischenraum zwischen den Schaufeln eines solchen Verdichters die Form eines Diffusors einnimmt. Hier steigt der Druck und die Temperatur, während die Geschwindigkeit sinkt. Im sich drehenden Teil einer Verdichterstufe (Laufrad, Rotor) wird der Luft die für den weiteren Druckaufbau nötige kinetische Energie wieder zugeführt.

Weitere

In der Kältetechnik unterscheidet man zusätzlich noch nach
- Vollhermetische Verdichter - der Motor und der Kompressor sitzen in einem gekapselten Gehäuse
- Halbhermetische Verdichter - der Motor ist an das Kompressorgehäuse angeflanscht
- offene Verdichter - der Verdichter wird über Riemen, Getriebe oder Zahnräder angetrieben

Liefermenge und Betriebsdruck

Stationäre Verdichter werden meist durch Elektromotoren angetrieben. Bei fahrbaren Anlagen benutzt man zum Antrieb häufig Verbrennungsmotoren. Zur Kennzeichnung eines Verdichters dienen der erreichbare Druck und die Liefermenge. Die Liefermenge ist das je Zeiteinheit abgegebene Luftvolumen; sie wird bei kleinen Anlagen in Liter/min, sonst in m³/min angegeben. Leider auch häufig gebräuchlich - aber irreführend - ist die Angabe der (theoretischen) Ansaugleistung als Produkt aus Drehzahl und Hubvolumen. Sie sagt nichts über die tatsächliche Fördermenge aus, da dabei der volumetrische Füllungsgrad vernachlässigt wird. Pneumatische Anlagen arbeiten in der Regel mit einem Druck von 6 bar; als untere Grenze werden 3 bar und als obere 15 bar angegeben.

Kenngrößen

- Liefermenge - Volumen der abgegebenen Luft je Zeiteinheit.
- Betriebsdruck - erreichbarer Überdruck.
- Druckverhältnis

\Pi=p_2/p_1

=Enddruck/Saugdruck Um Verdichter verschiedener Bauart und Betriebspunkte besser vergleichen zu können, wird oft der Normvolumenstrom betrachtet. Dies ist der Volumenstrom des Verdichters, umgerechnet auf Normbedingungen. (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit] Siehe auch: Atemschutzkompressor, Luftpumpe Kategorie: Strömungslehre Kategorie:Pumpe Kategorie:Gastechnik

Treibstoff

Ein Kraftstoff, häufig auch Treibstoff genannt, ist ein Stoff, dessen Energieinhalt durch Verbrennung oder andere Energieumwandlungsformen für technische Systeme nutzbar gemacht wird. Viele Kraftstoffe werden häufig in Fortbewegungsmitteln (Fahrzeug, Flugzeug, Schiff...) verwendet. Da sie in diesen mit transportiert werden müssen, werden dort häufig Stoffe mit einer hohen Energiedichte eingesetzt. Kraftstoffe werden Verbrennungsmotoren zugeführt, im Gegensatz dazu steht der Begriff Brennstoff, der auf die Verwendung zur Wärmegewinnung hinweist. Diese Definition der Begriffe ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, so ist Diesel ein Kraftstoff, der chemisch fast unverändert unter der Bezeichnung 'Heizöl EL' als Brennstoff verwendet wird.

Arten von Kraftstoffen

Feste Kraftstoffe

- Biomasse (Holz, Stroh...)
- Kernbrennstoff (Uran, Plutonium)
- Kohle in der Dampflok/Dampfschiff
- Festbrennstoff (z.B. Feststoffrakete)
- Wachs
- Kohlestaub, wurde nach dem Dieselprinzip mittels Pressluft in den Brennraum eingeblasen und entzündete sich selbst. (Kohlestaubexplosion)

Flüssige Kraftstoffe

- Kerosin bzw. Petroleum
- Benzin (Ottokraftstoff)
- Diesel
- Alkylatbenzin
- Biodiesel
- Ethanol - Ethanol als Kraftstoff
- Flüssigerdgas (auch: LNG Liquified Natural Gas)
- Flüssiggas (auch: Autogas oder LPG bzw. Liquified Petroleum Gas)
- Methanol
- Pflanzenöl
- Silan (in Entwicklung)
- Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel, zur Schadstoffminderung durch Temperatursenkung)
- Schweröl

Gasförmige Kraftstoffe

- Blaugas
- Druckluft
- Erdgas (auch: CNG Compressed Natural Gas)
- Ethen = (auch Holzgas)
- Wasserstoff

Verfahren zur Herstellung oder Gewinnung von Kraftstoffen

- Kohlevergasung
- Elektrolyse (für Wasserstoffherstellung)
- Erdölraffinerie
- Gas-to-Liquids
- Alkoholische Gärung

Vergleich von Kraftstoffen

- Superbenzin: Dichte 740 kg/m³ flüssig, Heizwert 12,0 kWh/kg
- Diesel: Dichte 830 kg/m³ flüssig, Heizwert 11,8 kWh/kg
- Ethanol: Dichte 789 kg/m³ flüssig, Heizwert 7,44 kWh/kg
- Autogas (LPG/GPL): Dichte 540 kg/m³ flüssig, Heizwert 12,8 kWh/kg
- Erdgas H-Gas (CNG/GNV): Dichte 0,81 kg/Nm³ (Normkubikmeter) gasförmig, Heizwert 13,0 kWh/kg
- Erdgas L-Gas (CNG/GNV): Dichte 0,82 kg/Nm³ gasförmig, Heizwert 11,3 kWh/kg

Alternative Kraftstoffe

Als alternative Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, die herkömmliche aus Mineralöl hergestellte Kraftstoffe ersetzen können.
- Bio-Ethanol wird aus Zuckerrüben oder Weizen gewonnen. Ab 2005 wird es dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren bereits viele Automobile damit, siehe Flexible Fuel Vehicle und Ethanol als Kraftstoff. Problem: Erhöhte Abgaswerte.
- Biodiesel wird aus mit Methanol veresterten Pflanzenölen hergestellt. Basis der Pflanzenöle ist unter anderem der Samen der Rapspflanze. Er wird auch dem mineralischen Diesel aus Klimaschutzgründen beigemischt. Da die Eigenschaften von Biodiesel in vielen Punkten denen von mineralischem Diesel sehr ähnlich sind, können auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Kraftstoff betrieben werden. Da sich Biodiesel wie ein leichtes Lösungsmittel verhält, können unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angegriffen werden, wenn diese nicht beständig gegen Biodiesel sind. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung und die geringe Dezentralität der in Deutschland betriebenen Biodieselanlagen. Zudem kann Biodiesel eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann.
- Biogas kann wegen der Größe der Anlage zur Erzeugung bisher nur für stationäre Motoren und zu Heizzwecken eingesetzt werden.
- BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wird auch von der Firma CHOREN Industries GmbH unter dem Markennamen SunDiesel vertrieben. Er wird aus Holz, Stroh oder anderer Biomasse gewonnen. BtL befindet sich noch in der Testphase und hat noch einen großen Forschungsbedarf. Vorteil: Die ganze Pflanze kann genutzt werden. Auch konventionelle Dieselfahrzeuge können damit fahren. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit noch nicht vor.
- Reine Pflanzenöle z.B. aus Leindotter, Raps oder Sonnenblume, auch Pöl oder Naturdiesel genannt, können als Kraftstoff in Dieselmotoren eingesetzt werden. Insbesondere die höhere Viskosität gegenüber Dieselkraftstoff führt dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird. Die Vorteile von Pöl sind neben der CO₂-Neutralität die Möglichkeit der dezentralen Herstellung, die hohe Energiedichte, das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt).
- Wasserstoff kann auch aus regenerativen Energie mittels Elektolyse gewonnenwerden. Das Problem liegt beim Wasserstoff, für die Herstellung ist viel Energie nötig. Zudem ist ein Luft-Wasserstoffgemisch innerhalb eines weiten Mischungsverhältnisses explosiv. Als Abgas entsteht jeoch nur reines Wasser.
- Holzgas war in den 1940er Jahren eine verbreitete Alternative unter dem Druck von akutem Kraftstoffmangel. In Finnland sind Fahrzeuge mit abenteuerlich konstruierten Holzvergasern auch heute noch recht häufig anzutreffen. Bei dem Verfahren verschwelt normales Holz, oft Holzabfälle, unter Luftabschluß in einem Druckkessel. Die entstehenden brennbaren Gase (überwiegend Ethen) werden dem Motor zugeführt. Stationäre Anlagen werden zunehmend zu Heizzwecken und in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eingesetzt.

Literatur

- Geitmann, Sven: Erneuerbare Energien und alternative Kraftsotffe, 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen, Jan. 2005, ISBN 3937863052

Siehe auch

- Brennstoff
- Verbrennungsluftverhältnis
- Kraftstofftank
- Kraftstoffpreis
- Nutzpflanze
- Stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis ! Kategorie:Biomasse ja:燃料 ko:연료 simple:Fuel

Verbrennung

Eine Verbrennung kann bezeichnen
- eine exotherme Redoxreaktion, bei der ein Stoff durch Sauerstoff oxidiert wird. Siehe Verbrennung (Chemie)
- eine Schädigung der Haut durch große Hitze, heiße Flüssigkeiten (Verbrühung) oder starke Sonneneinstrahlung (Sonnenbrand), siehe Verbrennung (Erste Hilfe)
- die Komplikationen als Folge von großflächigen Verbrennungen nennt man Verbrennungskrankheit
- Das Umsetzen der Nährstoffe durch die Körperzellen zur Energiegewinnung mittels Sauerstoff, siehe Atmung

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :

\frac = \frac

Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: :

T := \frac

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
-

\sqrt

- quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2^½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante k_B bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau k_BT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren

Strahltriebwerk

Physikalische Grundlagen

Schubformel und Vortriebwirkungsgrad

Gasturbine

Prinzipieller Aufbau einer Fluggasturbine

Verdichter / Kompressor

Brennkammer

Rohrbrennkammer

Ring-Rohrbrennkammern

Ringbrennkammern

Turbine

Schubdüse

Parameter

Turbojet-Triebwerk

Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan)

Propellerturbine (Turboprop)

Staustrahltriebwerk

Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk

Anfänge

Triebwerksentwicklung von Frank Whittle

Triebwerksentwicklung von Hans von Ohain

Militärische Entwicklung während des 2. Weltkrieges

Militärische Weiterentwicklung

Zivile Weiterentwicklung

Aktuelle Zivile Entwicklung

Literatur

Weblinks

Software

Rückstoßantrieb

Fluid

Sauerstoff

Geschichte

Etymologie

Vorkommen

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Molekülorbital-Verfahren

Singulett- und Triplet-Sauerstoff

Sauerstoff-Ionen

Chemische Eigenschaften

Isotope

Verbindungen

Gewinnung/Darstellung von O2

Biologische Bedeutung

Nachweis und Konzentrationsmessung

Siehe auch

Weblinks

Luftverkehr

Vorteile

Nachteile

Siehe auch

Luft

Zusammensetzung

Stickstoff

Sauerstoff

Argon

Wasserdampf

Variabilität in der Zeit

Variabilität im Raum

Substanzen geringerer Konzentration

Kohlenstoffdioxid

Ozon

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Luftdruck

Lufttemperatur

Luftfeuchtigkeit

Andere

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Kulturelle Bedeutung

Siehe auch

Weblinks

Verdichter

Grundlagen

Bauformen

Verdichter nach dem Verdrängerprinzip

Schraubenverdichter

Turboverdichter

Weitere

Liefermenge und Betriebsdruck

Gewinnung/Darstellung von O₂