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 12.Klasse Facharbeit Modellierung eines Ottomotors 
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Chemie Newbie

Registriert: 20.04.2008, 13:05
Beiträge: 1
Beitrag 12.Klasse Facharbeit Modellierung eines Ottomotors
Hi,

Im Chemieunterricht haben wir als Modellierung zur Funktionsweise eines Ottomotors ein Papprohr unten verklebt, ein kleines Loch rein gemacht und oben einen Tennisball reingesteckt. Hinten hat unser Lehrer Pentan eingefüllt und ein Streicholz reingehalten. Der Ball alias Kolben ist hinausgflogen und wir haben gesehen wie das im Motor so ungefähr funktioniert. Ausser natürlich das unser Kolben nicht wieder zurück kam :).

Mein Facharbeitsthema ist nun der Versuch einer Optimierung dieses Models.
Nachdem ich ein paar qualitative Aussagen über die Wahl des Materials und den allgemeinen zusammenbau gemacht habe, hatte ich vor ein paar berechnungen anzustellen.

Also habe ich das Volumen der Zündkammer hinter dem Ball errechnet und daraus errechnet wieviel Sauerstoff enthalten ist, um die maximale Pentanmenge zu errechnen, die verbrannt werden kann. Dabei bin ich von Standardbedingungen ausgegangen.

Damit habe ich dann die Standardbildungsenthalpie errechnet um zu schauen wieviel Wärmeenergie entsteht. Da fängt es an zu hapern, denn die Rechnung sagt, dass eine Temperatur von ca 3000K entsteht. und das bei 0,0001 mol Pentan.

V_{Rohr}=0,808l

n={RT}/{pV}

n={8,314*298}/{101325*0,000808}

n=3,305*10^-2
21% der Stoffmenge sind Sauerstoff

n*21%=6,94*10^-3

Die Stöchiometrischen Verhältnisse von Sauerstoff zu Pentan, Wasser und CO2

Pentan 8:1 n=8,676*10^-4
CO2 8:5 n=4,338*10^-3
H2O 8:6 n=5,205*10^-3

Die Standardbildungsenthalpie von einem Mol Pentan beträgt -3276 kJ/mol

Mit der eigentlich verwandten Stoffmenge multipliziert ergibt das: 2,842 kJ

So nun kommt der Knackpunkt. Zur Vereinfachung gehe ich davon aus, dass es sich bei dem Produktgasen um Ideale Gase mit 2 Freiheitsgraden handelt.

CO2->3,5*nCO2*R=0,126
H2O->4*nH2O*R=0,173
N2->3,5*nN2*R=0,750
Rs->1,050

Nun habe ich angenommen, dass sich die gesamte Enthalpie in Wärme umwandelt, also unächst keine Volumenarbeit stattfindet, sodass gilt
dH=C*dt --> dH/C=dT

2842J/1,050J/K=dT=3005K

Ist das möglich, das eine so kleine Menge Pentan diese Energie Wärme freiwerden lässt?


20.04.2008, 13:51
Profil
Chemie God
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Registriert: 03.02.2007, 14:32
Beiträge: 4246
Wohnort: hamburg
Beitrag 
hi,

sorry dass es mit der antwort etwas gedauert hat, aber deine frage ist doch etwas anspruchsvoller, und daher wollte ich mich da mal in ner ruhigen minute tiefer reindenken

der hauptknackpunkt bei deiner berechnung scheint mir zu sein, dass du zwar die standardbildungsenthalpie des pentans beruecksichtigst (also die energie die bei der entstehung des pentans aus den elementen c und h frei wird), diese dann aber der entstehenden energie bei der umsetzung gleich setzt (sofern ich deine darstellung jetzt nicht groeblich missverstanden habe).
dem ist aber ja gerade nicht so.
vielmehr "verschwindet" diese energie ja (d.h. du musst sie formal bringen) und wird durch die standardbildungeenthalpien deiner produkte wasser, co2 ersetzt.
die differenz dieser standardbildungsenthalpien erst ist deine freiwerdende enthalpie bei der umsetzung.
das scheint mir das hauptproblem deines anasatzes zu sein.

nebenprobleme:
- wasser und co2 sind sicher net gut als 2-atomige ideale gase approximierbar
- unter den von dir geschilderten bedingungen entsteht kaum co2, sondern bevorzugt co (http://de.wikipedia.org/wiki/Boudouard-Gleichgewicht) plus noch so dit und dat, da ist ein bunter zoo von spezies anwesend
- beim wasser bin ich mir da auch net voellig sicher wie sich das denn so in einer explosionsfront ausnimmt, m.a.w wie hoch der radikalanteil da ist usw.. kurz: deine spezies sind etwas "hoffnungsvoll" aufgelistet, no[sub]x[/sub] oder kohlenwasserstoff(-fragmente) (unvollstaendige verbrennung) fehlt ganz...

.. und eine statische betrachtung "ohne volumenarbeit" ist angesichts der temperaturbedingten geschwindigkeiten auch recht akademisch.

hinzu kommt die tatsaechliche situation beim durcheilen einer explosionsfront durch ein zuendgemisch, ausgehend von nur einem punkt (es gibt nen grund fuer spezielle kammerformen und ggf. mehrere zuendkerzen bei modernen motoren!), da sind die dinge doch hochdynamisch und eher etwas unuebersichtlich. plus dem technisch optimierten luft/benzin verhaeltnis, welches von der stoecheometrie doch ggf. relevant abweicht plus plus plus....

kurz: selbst wenn du es sauber rechnest wuerde mich net wundern, wenn du gegenueber der "technischen realitaet" nen fehler von sagen wir mal 2000 K anzunehmenden spitzentemperatur / reale spitzentemperatur bekaemest, m.a.w. sonne berechnung ist doch sehr mit vorsicht zu geniessen.

mein vorschlag: fuehre diese komplikationen auf, mach nen bildungsenthalpiemaessig sauberen ansatz und belass es dabei das als "wenn sich nix ausdehnen wuerde usw." zu erwaehnen und das NICHT zum ziel deiner optimierung zu erheben.

und ansonsten guck einfach mal in die fachliteratur "motoren", da wirst du futter ohne ende finden was reale optimierungsansaetze betrifft.

good luck

ingo

_________________
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22.04.2008, 23:39
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Chemie Senior
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Registriert: 16.02.2007, 14:47
Beiträge: 350
Beitrag 
Ich hab mir das auch alles mal angeschaut und hab auch bemerkt, dass dein größter Fehler darin liegt, dass du die Energie der Reaktionsprodukte vernachlässigst.
Warum rechnest du das als isochoren Prozess? Willst du wissen, was die maximal mögliche Höchsttemperatur während der Verbrennung in deinem "Motor" ist?
Ich würde vorschlagen, alles als isothermen Vorgang zu betrachten, also dass "quasistationär" die gesamte Wärme in Arbeit umgewandelt wird.
Schau dir dazu dochmal den Stirling-Kreisprozess an
( http://upload.wikimedia.org/wikipedia/d ... zess_3.PNG )


Du beschreibst ja aber keinen ganzen Kreisprozess, sondern die Expansion des Arbeitsgases (Ball fliegt weg und wird durch Volumenarbeit beschleunigt.
Im Diagramm sieht man, dass das durch die isotherme Zuständsänderung angenähert wird. (Volumen steigt, Druck fällt)

_________________
Wer nichts weiß, muss alles glauben.


26.04.2008, 14:53
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