Carnot-Wirkungsgrad berechnen

Der Rechner bestimmt den Carnot-Wirkungsgrad, den höchsten möglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zwischen einem heißen und einem kalten Reservoir: η = 1 − Tc/Th, Temperaturen in Kelvin. Zwischen 750 K und 300 K sind das 60 %. Dazu zeigt er die Leistungszahlen einer Carnot-Kältemaschine und einer Carnot-Wärmepumpe sowie die Wärmemengen pro Zyklus.

Quelle: OpenStax University Physics Volume 2, 4.5 The Carnot Cycle – e = 1 − Tc/Th (Eq. 4.5), K_R = Tc/(Th − Tc) (Eq. 4.6), K_P = Th/(Th − Tc) (Eq. 4.7), W = Qh − Qc, Carnot’s principle; Example 4.2 (e = 0.60, Tc = 300 K → Th = 750 K, W = 300 J → Qh = 500 J, Qc = 200 J), Example 4.3 (heat pump 0 °C/20 °C, 30.0 kJ → about 2 kJ) (read 10.10.2026). Stand: .

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Ergebnis

Carnot-Wirkungsgrad
Wirkungsgrad 60,0 % · Leistungszahl Kälte 0,67 · Wärmepumpe 1,67
Rechenweg
GrößeWert
Heißes Reservoir Th750,00 K = 476,85 °C
Kaltes Reservoir Tc300,00 K = 26,85 °C
Wirkungsgrad η = 1 − Tc/Th1 − 300,00 ÷ 750,00 = 0,6000 = 60,0 %
Kältemaschine K_R = Tc/(Th − Tc)300,00 ÷ (750,00 − 300,00) = 0,67
Wärmepumpe K_P = Th/(Th − Tc)750,00 ÷ (750,00 − 300,00) = 1,67
Arbeit W300,00 J
Wärme am heißen Reservoir Qh500,00 J
Wärme am kalten Reservoir Qc200,00 J
Berechnet für einen idealen, reversiblen Carnot-Prozess mit T in Kelvin (T = t + 273,15). Reale Maschinen zwischen denselben Temperaturen erreichen weniger. Maschine: Qh = W/η, Qc = Qh − W.

So wird gerechnet

Der Carnot-Wirkungsgrad ist η = 1 − Tc/Th; Th und Tc sind die absoluten Temperaturen (in Kelvin) des heißen und des kalten Reservoirs. Das Lehrbuch OpenStax University Physics leitet die Formel aus dem Carnot-Prozess ab – zwei Isothermen und zwei Adiabaten – und formuliert das Carnot-Prinzip: Keine Maschine, die zwischen zwei Reservoiren konstanter Temperatur arbeitet, kann einen höheren Wirkungsgrad haben als eine reversible. Der Carnot-Wirkungsgrad ist also eine theoretische Obergrenze, nicht der Wirkungsgrad einer echten Maschine.

Carnot-Wirkungsgrad für typische Temperaturen

Heiß (°C)Kalt (°C)Wirkungsgrad ηKältemaschine K_RWärmepumpe K_P
100010070,7 %0,411,41
6003065,3 %0,531,53
4003055,0 %0,821,82
1002021,4 %3,664,66
3559,7 %9,2710,27
2508,4 %10,9311,93
2006,8 %13,6614,66

Die Temperaturen werden zuerst in Kelvin umgerechnet (T = t + 273,15): Zwischen 400 °C und 30 °C ist η = 1 − 303,15/673,15 = 0,550. Beispiel 4.2 bei OpenStax geht den umgekehrten Weg: Ein Wirkungsgrad von 0,60 bei 300 K kaltem Reservoir verlangt Th = 300 K : (1 − 0,60) = 750 K. Leistet diese Maschine 300 J Arbeit pro Zyklus, nimmt sie Qh = W/η = 500 J aus dem heißen Reservoir auf und gibt Qc = 500 J − 300 J = 200 J ab.

Carnot-Wirkungsgrad der Wärmepumpe und der Kältemaschine

Rückwärts durchlaufen wird der Carnot-Prozess zur Kältemaschine oder Wärmepumpe. Ihre Leistungszahlen sind K_R = Tc/(Th − Tc) für die Kältemaschine und K_P = Th/(Th − Tc) für die Wärmepumpe; bei der Wärmepumpe ist K_P = 1/η, beide Werte steigen, je näher die Temperaturen beieinanderliegen. Darum zählt bei einer Wärmepumpe jedes Grad weniger Vorlauftemperatur: Zwischen 5 °C Quelle und 35 °C Vorlauf liegt die theoretische Obergrenze bei 10,27. In Beispiel 4.3 liefert eine Carnot-Wärmepumpe 30,0 kJ an ein Haus mit 20 °C und holt die Wärme aus Außenluft von 0 °C. Sie braucht W = 30 kJ × (293 K − 273 K)/293 K, im Buch auf 2 kJ gerundet; mit 273,15 rechnet der Rechner 2,05 kJ.

Den Wirkungsgrad einer realen Anlage aus Nutzen und Aufwand ermittelt Wirkungsgrad berechnen; Arbeit und Bewegungsenergie stehen bei kinetische Energie berechnen.

Häufige Fragen

Wie lautet die Formel für den Carnot-Wirkungsgrad?

η = 1 − Tc/Th, mit Th und Tc als Temperaturen des heißen und kalten Reservoirs in Kelvin. Mal 100 ergibt Prozent.

Wie groß ist der Carnot-Wirkungsgrad zwischen 400 °C und 30 °C?

In Kelvin 673,15 K und 303,15 K: η = 1 − 303,15/673,15 = 0,550, also 55,0 %.

Warum muss man in Kelvin rechnen?

Die Formel nutzt das Verhältnis absoluter Temperaturen. Mit Grad Celsius stimmt das Verhältnis nicht; ein kaltes Reservoir bei 0 °C ergäbe 100 %.

Kann eine reale Maschine den Carnot-Wirkungsgrad erreichen?

Nein. Nach dem Carnot-Prinzip arbeitet keine Maschine zwischen zwei Reservoiren besser als eine reversible; reale Maschinen verlieren Energie und bleiben darunter.

Welche Leistungszahl hat eine Carnot-Wärmepumpe?

K_P = Th/(Th − Tc). Zwischen 0 °C und 25 °C: 298,15/25 = 11,93. Eine Kältemaschine zwischen denselben Temperaturen erreicht K_R = Tc/(Th − Tc) = 10,93.

Quellen und Rechtsgrundlagen

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