9. Thermodynamik - physik.fh
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Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9. Thermodynamik 9.5 Wärmetransport 9.5.1 Wärmeleitungg 9.5.2 Konvektion 953 9.5.3 Wärmestrahlung 9.5.4 Der Treibhauseffekt Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9.5 Wärmetransport Man unterscheidet: Wärmeleitung Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen Konvektion Wärmeübertragung g g durch Stofftransport p Strahlung Emission/Absorption elektromagnetischer Strahlung Wärmeleitung λ Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9.5.1 Wärmeleitung ist Konsequenz q der kinetischen Energie g - Am heißen Ende schwingen Atome/Moleküle schneller - Durch Stöße wird Energie auf kalte Atome übertragen - Kalte K l Atome A werden d wärmer, ä T gleicht l i h sich i h an. Wärme dQ, die in Zeit dT durch Fläche übertragen wird = Wärmestrom H A: Fläche (TH – TK)/d : Temperaturgradient λ: Wärmeleitfähigkeit mit λ = konst. Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 409,00 Beispiel: Eine Holztür soll in eine Betonwand (d=25cm) eingebaut i b t werden. d Welche W l h Dicke Di k muss die Holztür haben, damit der Wärmeverlust gleich bleibt? Mit: Gilt: Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker 9.5.2 Konvektion = Wärmetransport durch Massentransport Beispiele: B i i l Heißwassersystem, Kühlsystem y eines PCs,, Blutkreislauf Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker 9.5.3 Wärmestrahlung = Temperaturstrahlung = elektromagnetische Strahlung, di thermisch die th i h erzeugtt wird. id Ursache ist Temperatur des strahlenden Mediums Z quantitativen Zur tit ti Beschreibung: B h ib S h Schwarzer St Strahler hl - absorbiert vollständig auftreffende Fremdstrahlung Absorptionsgrad α = 1 - hat maximale Strahlungsleistung (Energiestrom, Strahlungsfluss) Energie = Zeit - erzeugte Strahlung hängt nur von Temperatur ab, nicht von Oberflächenbeschaffenheit - kann durch Hohlraumstrahler praktisch realisiert werden Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Strahlungsdichte = Strahlungsleistung pro Wellenlängeneinheit in Halbraum emittierte Strahlung gilt: 23 J/K k = 1,38 x 10-23 (Boltzmannkonstante) h = 6,6262 x 10-34 Js Planck‘sches Wirkungsquantum Strahlungsdichte für A = 1m2 - Spektrum ist kontinuierlich - für am stärksten abgestrahlte Leistung gilt: Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Für die gesamte abgestrahlte Leistung gilt: Stefan-Boltzmann-Gesetz Beispiel: Oberfläche der Haut eines menschlichen Körpers A = 1,2 m2 Oberflächentemperatur der Haut ϑO = 30oC U Umgebungstemperatur b t t ϑU = 20oC Wie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung? (Hinweis: Mensch = schwarzer Körper) Aber! Es gibt auch Absorption der Umgebungsstrahlung !!! Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Beispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß Dewar Gefäß Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Aufgabe g eines Kühlkörpers p - Wegleiten von Verlustwärme vom Bauelement - Abgabe der Wärme durch - Wärmestrahlung Wä t hl und d - Konvektion an die Umgebung Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9.5.4 Der Treibhauseffekt Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Der Treibhauseffekt Frage: Warum ist Erde so warm? <ϑE> = 15oC Frage: Wird Erde wärmer? Folgende Effekte spielen eine Rolle: - Sonnenlicht liefert Strahlungsleistung ΦS Erde wird warm - Aufgeheizte Erde gibt Strahlungsleistung ab gemäß I Gl Im Gleichgewicht i h i h (und ( d im i Mittel) Mi l) gilt: il T = konstant Mittlere empfangene Strahlungsleistung ( mittlerer Abstand Erde-Sonne) Solarkonstante S = 1353 W/m2 Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Von der Erde absorbierte Strahlungsleistung r = Reflexionsgrad = 30 % Erde emittiert über die gesamte Oberfläche Im Gleichgewicht gilt: Erdtemperatur TE = 254 K = - 18oC !!!!!!!!! Frage: Warum ist <ϑ> = + 15oC ???????? Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Antwort: Es gibt natürlichen Treibhauseffekt Es gilt: - Erdatmosphäre für ankommende Wärmestrahlung nahezu vollständig g durchlässigg - Erdatmosphäre (N2, O2) für Wärmestrahlung nahezu vollständig durchlässig Aber! Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung! CO2 H2O O3, N2O4, CH4 0,03 Vol % liefert liefert liefern + 7oC + 21oC + 5oC Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Die Grafik aus einem Entwurf des künftigen Klimareports der Uno zeigt, dass die globale Temperatur seit 1998 nicht gestiegen ist. Die Klimaprognosen über so kurze Zeiträume (farbig) erweisen sich als unsicher. FAR, SAR, TAR, AR4 und ihre Farben markieren unterschiedliche Klimaberichte der Uno mit unterschiedlichen Klimaszenarien. Langfristige Klimaprognosen gelten als vertrauenswürdiger, weil sich kurzfristige Klimaphänomene aufheben können. können
