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Stirlingmotor (3D)

Über diese App

Wärme wird Bewegung: laufendes Schnittmodell eines Stirlingmotors mit heißer und kalter Seite, Verdränger und Arbeitskolben 90° phasenversetzt. Das Gas wandert sichtbar zwischen heiß (glühend) und kalt (Kühlrippen), ein live mitlaufendes p-V-Diagramm zeigt den Kreisprozess. Temperaturdifferenz und Drehzahl regelbar (Carnot-Wirkungsgrad).

Mit Erklärmodus: Ein KI-Tutor führt dich durch die App, zeigt in der Szene, worauf es ankommt, und beantwortet deine Fragen.

Wie ein Stirlingmotor Wärme in Bewegung wandelt

Der Stirlingmotor ist ein Heißgasmotor mit geschlossenem Gasraum: Dieselbe Gasmenge wird immer wieder zwischen einer heißen und einer kalten Seite verschoben. Auf der heißen Seite dehnt sich das Gas aus und der Druck steigt, auf der kalten Seite zieht es sich zusammen. Ein Verdränger schiebt das Gas hin und her, ein Arbeitskolben nimmt die Arbeit ab. Weil beide um 90° versetzt laufen, ist der Druck hoch, während sich das Volumen vergrößert, und niedrig beim Verdichten. Pro Umdrehung bleibt Nutzarbeit übrig.

Was die App zeigt

Das Schnittmodell zeigt einen Stirlingmotor in Gamma-Bauweise: einen waagerechten Glaszylinder mit glühender heißer Seite und Kühlrippen auf der kalten Seite, darin den Verdränger, daneben einen senkrechten Arbeitszylinder mit Kolben, Pleuel und Schwungrad. Das Gas leuchtet je nach Lage heiß oder kalt. Unten läuft ein p-V-Diagramm mit; die umlaufende Schleife ist der Kreisprozess, ihre Fläche die Arbeit pro Umdrehung. Der Druck ist nach der Schmidt-Analyse berechnet.

Was du ausprobieren kannst

Stelle die Temperaturdifferenz zwischen 60 und 600 K ein, die kalte Seite bleibt bei 300 K. Mit wachsender Differenz glüht die heiße Seite stärker, die Schleife im p-V-Diagramm wird breiter und die Arbeit pro Zyklus steigt. Die Anzeige rechnet den Carnot-Wirkungsgrad η = 1 − T_kalt/T_heiß als Obergrenze mit. Über die Drehzahl verlangsamst du den Motor, um die 90°-Versetzung von Verdränger und Kolben genau zu verfolgen.

Häufige Fragen

Wie funktioniert ein Stirlingmotor?
Ein Stirlingmotor verschiebt ein eingeschlossenes Gas mit einem Verdränger zwischen einer beheizten und einer gekühlten Zone. Erwärmt dehnt es sich aus und drückt auf den Arbeitskolben, abgekühlt lässt es sich mit wenig Kraft wieder verdichten. Da Verdränger und Arbeitskolben um etwa 90° versetzt laufen, ist die Ausdehnungsarbeit größer als die Verdichtungsarbeit, und die Differenz treibt das Schwungrad.
Welchen Wirkungsgrad kann ein Stirlingmotor erreichen?
Die theoretische Obergrenze ist der Carnot-Wirkungsgrad η = 1 − T_kalt/T_heiß mit absoluten Temperaturen. Bei 600 K heißer und 300 K kalter Seite sind das 50 %. Ein idealer Stirling-Prozess mit vollkommenem Regenerator erreicht diesen Wert; reale Motoren bleiben wegen Reibung, Wärmeverlusten und unvollständiger Regeneration deutlich darunter.
Was zeigt das p-V-Diagramm eines Stirlingmotors?
Das p-V-Diagramm trägt den Gasdruck gegen das Volumen auf. Während einer Umdrehung durchläuft der Zustand eine geschlossene Schleife. Die eingeschlossene Fläche ist die Arbeit, die der Motor pro Umdrehung abgibt; eine größere Temperaturdifferenz macht die Schleife breiter.
Was kann ich in dieser App ausprobieren?
Du regelst Temperaturdifferenz und Drehzahl und beobachtest am laufenden Schnittmodell, wie das Gas zwischen heißer und kalter Seite wandert. Heiße und kalte Temperatur, Carnot-Wirkungsgrad und Arbeit pro Zyklus werden angezeigt, das p-V-Diagramm läuft live mit.

Fach: Physik-Experimente (Deutsches Museum)

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