Physikalische Grundlagen

m. fahrni
Physikalische
Grundlagen
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Inhaltsverzeichnis
1.
Temperatur
2.
Ausdehnung
3.
Messungen
4.
Wärme
5.
Wärmeübertragung
6.
Druck
7.
Druck und Wasser
8.
Energie / Leistung
9.
Schall
10.
Tabellen/Beilagen
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1. Temperatur
Moleküle oder Atome eines Stoffes besitzen eine bestimmte Eigenbewegung bzw. Eigengeschwindigkeit, die man Molekularbewegung nennt.
Die Temperatur ist ein Ausdruck dieser Bewegung; sie gibt den Wärmezustand des Stoffes
an. Mit zunehmender Molekularbewegung steigt die Temperatur, mit abnehmender sinkt sie.
Wird in einem Stoff die Molekularbewegung gleich Null, ist der niedrigste Temperaturpunkt
erreicht, der möglich ist. Man bezeichnet ihn als den absoluten Nullpunkt.
Im allgemeinen Sprachgebrauch verwendet man die Begriffe kalt, warm, heiß usw. Wir
können mit der Haut Temperaturen empfinden, jedoch nicht messen. Eine Temperatur, die
dem einen Menschen als unangenehm warm erscheint, kommt einem anderen unter
Umständen kühl vor.
Zur Temperaturmessung verwendet man Thermometer, die mit verschiedenen Temperaturskalen ausgestattet sein können. Zwei Skalen sind von Bedeutung:
Skala nach Celsius (°C)
Skala nach Kelvin (K)
Skala nach Celsius (C). Der Temperaturbereich, in dem Wasser bei Normdruck der Luft
flüssig ist, wird nach Celsius in 100 gleiche Teile
eingeteilt. Ein Teil wird als 1 Grad Celsius (1 0C) bezeichnet. Die Gefriertemperatur von
Wasser liegt bei 00C, die Siedetemperatur bei 1000C.
Temperaturen unter 0°C kennzeichnet man mit einem Minuszeichen, z.B. –15°C.
Die tiefste Temperatur, die möglich ist, der absolute Nullpunkt, liegt auf der Celsiusskala bei
-273,150C.
Skala nach Kelvin (T). Diese Skala geht von der niedrigst möglichen
Temperatur, dem absoluten Nullpunkt, aus. Der Temperaturbereich
zwischen dieser Temperatur und der Gefriertemperatur von Wasser ist in
273,15 Teile geteilt. Die Teile der Kelvin-Skala stimmen deshalb mit den
Teilen der Celsius-Skala der Grösse nach überein. Ein Teil der Kelvin-Skala wird als 1
Kelvin (1 K) bezeichnet.
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2. Ausdehnung
In haustechnischen Anlagen sind Baustoffe, Flüssigkeiten und Gase häufig größeren
Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die Ausdehnung bei Temperaturerhöhung wird
durch eine sich verstärkende Molekular-Bewegung hervorgerufen. Stärker bewegte Teilchen
benötigen mehr Raum als weniger stark bewegte.
Die Ausdehnung eines Stoffes in einer Richtung bezeichnet man als Längsausdehnung. Sie
ist besonders bei der Verlegung von Warmwasser- und Heizungsleitungen zu beachten.
3. Messungen
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Temperaturen werden mit Thermometern gemessen. Bei den verschiedenen Thermometerarten nutzt man die bei Temperaturänderungen auftretenden Veränderungen des
Volumens, der Länge, des elektrischen Widerstands oder sonstiger Größen aus.
Flüssigkeits-Thermometer. In einem kleinen Glasbehälter mit Kapillarrohr wird eine, geringe
Menge Quecksilber oder Weingeist eingefüllt. Bei steigender Temperatur dehnt sich die
Flüssigkeit aus und steigt im Kapillarrohr hoch, wo sie an einer geeichten Temperaturskala
vorbei gleitet.
BimetalI- Thermometer
Bimetalle bestehen aus zwei fest aufeinander gewalzten Metallstreifen mit unterschiedlichen
thermischen Längenausdehnungs-Koeffizienten. Bei Erwärmung verlängert sich der
Metallstreifen mit dem grössern Koeffizienten stärker als der andere. Dadurch kommt es zur
Krümmung des Bimetallstreifens in Richtung des Metalls mit der geringeren thermischen
Längenausdehnung.
Bimetalle werden auch bei elektrischen Schutzschaltern (FI) und bei der
Temperaturregelung verwendet.
Widerstands- Thermometer
Wenn der elektrische Widerstand eines Metalldrahts mit steigender
Temperatur zunimmt, ist es ein PTC-Widerstand, nimmt er ab, ein NTCWiderstand. Der Widerstand wird in einem Fühler am Messort angebracht. Er liegt mit einer
Spannungsquelle und einem Messgerät in einem geschlossenen Stromkreis.
Bei Temperaturänderungen ändert sich der Widerstand des Fühlers und damit auch die
Stromstärke, die über das in Grad Celsius geeichte Messgerät angezeigt wird. Diese
Thermometer sind mit einer Digitalanzeige ausgestattet und arbeiten bei richtiger
Einstellung sehr genau. Zudem können Temperaturangaben über große Entfernungen
übertragen werden.
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Thermoelektrische Thermometer
Werden zwei verschiedene Metalldrähte, z.B. Nickel und Chromnickel, durch eine Lötstelle
mit- einander verbunden, so entsteht ein Thermoelement. Wird die Lötstelle erwärmt,
während die beiden Drahtenden kalt bleiben, bildet sich eine Thermospannung, die sich für
Temperaturmessungen einsetzen lässt. Thermoelektrische Thermometer zeichnen sich
durch besonders grosse Messbereiche zwischen –250°C bis ca. 2000°C aus.
Temperatur Messfarbstifte. Zur Bestimmung von Temperaturen an
Oberflächen fester Körper werden Messfarbstifte verwendet. Die
Striche dieser Stifte ändern bei bestimmten Temperaturen nach
einer festgelegten Zeit ihre Farbe. Die Farbänderung und die Umschlagstemperatur sind auf
den Temperatur-Messfarbstiften angegeben.
4. Wärme
Wärme ist eine besondere Form der Energie, mit der Arbeit verrichtet werden kann. Wärme,
Energie und Arbeit sind Grössen gleicher Art.
Um die Temperatur eines Stoffes zu erhöhen, muss man ihm Energie zuführen; diese wird
bei sinkender Temperatur wieder abgegeben. Soll die Temperatur von 1 kg eines Stoffes
um 1 K erhöht werden, ist eine
bestimmte Wärmemenge notwendig, die als spezifische Wärmekapazität (c) bezeichnet
wird.
Die spezifische Wärmekapazität gibt an, welche Wärmemenge nötig ist, um die Temperatur
von 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erhöhen.
Schmelz- und Verdampfungswärme
Schmelzen und Erstarren. Um einen festen Körper vollständig zu verflüssigen, müssen alle
Teile des Körpers die Schmelztemperatur erreicht haben. Zum Schmelzen von 1 kg eines
Stoffes ist die spezifische Schmelzwärme (s) erforderlich. Beim Erstarren verläuft der
Vorgang in umgekehrter Richtung. Die Schmelzwärme wird wieder frei. Während des
Schmelzens und Erstarrens bleibt die Temperatur des Stoffes konstant. Sie ändert sich erst
wieder, wenn der Stoff in den flüssigen bzw. festen Zustand übergegangen ist.
Verdampfen und Kondensieren. Um Dampf in größeren Mengen zu erzeugen, muss einer
siedenden Flüssigkeit weiter Wärme zugeführt werden.
Um 1 kg siedende Flüssigkeit zu verdampfen, muss die spezifische Verdampfungswärme (r)
zugeführt werden. Sie beträgt für Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa 627 Wh/kg.
Enthalpie
Bei 0°C besitzt Wasser definitionsgemäss eine Enthalpie von 0 Wh. Diese Festlegung ist
willkürlich, da Wasser von 0°C noch eine erhebliche Wärmemenge entzogen werden kann,
bis der absolute Nullpunkt erreicht ist. Wenn sich die Enthalpie auf 1 kg Masse bezieht,
spricht man von spezifischer Enthalpie (h).
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5. Wärmeübertragung
Wärmeleitung
Es gibt drei verschiedene Arten von Wärmeübertragung:
- Wärmeleitung
- Konvektion
- Strahlung
Die Wärme fliesst immer in Richtung des Temperaturgefälles, d.h. von „wärmer“ nach
„kälter‘
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Wärmeleitung
Die Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen Metallen ist im Vergleich zu der des Glases
dargestellt:
Man sieht, dass es hier große Unterschiede gibt. Die schlechten
Wärmeleiter, die wir ebenfalls in den Versuchen kennen gelernt haben, können in diese
Abbildung gar nicht mehr mit eingezeichnet werden.
Im Vergleich zu Kupfer leitet z.B. Wasser die Wärme 600mal schlechter. Styropor
10‘000mal schlechter und Luft sogar 150‘000mal! Oder anders ausgedrückt: Kupfer leitet
die Wärme 150‘000mal besser als Luft!! Die Luft ist (neben einigen anderen Gasen) der
schlechteste Wärmeleiter, den wir kennen.
Wenn die Wärme in einem Körper fortgeleitet wird, geschieht das stets von der warmen
Seite des Körpers hin zu seiner kalten - und zwar so lange, bis seine Temperatur überall
gleich ist. Oder die Wärme geht von einem warmen Körper auf einen anderen, kühleren
Körper über.
Wenn ein Gefäss mit einem heissen Getränk von Styropor umgeben ist,
wird fast keine Wärme fortgeleitet. Styropor zählt deshalb zu den
Wärmedämmstoffen. Das “Geheimnis“ dieses Stoffes ist, dass er viele mit Luft gefüllte
Hohlräume besitzt:
Ein Styroporblock von 1000 Litern Rauminhalt enthält 20 Liter Kunststoff, und 980 Liter Luft!
Könnte man aus dem gezeichneten Styropor sämtliche Luft herauspressen, würde nur der
kleine Kunststoffwürfel übrigbleiben. Alles andere ist Luft.
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Wärmeleitfähigkeiten
Die Strahlung
Sie ist eine Wärmeübertragung in elektromagnetischer Wellenform. Dabei wird kein Stoff
als Wärmeträger benützt. Wärmestrahlung findet auch im luftleeren Raum statt.
Warme Flächen = Strahlungswärme
Kalte Flächen = „Strahlungskälte“
Die Energie der Sonne breitet sich allein durch Strahlung aus. Das ist nicht anders möglich,
weil der Weltraum nahezu leer ist; dort kann also weder eine Leitung noch ein Transport
von Wärmeenergie stattfinden. Doch auch von jedem anderen warmen Körper geht eine
Strahlung aus -und zwar aufgrund seiner Temperatur (“ Temperaturstrahlung“). Wenn diese
Strahlung auf einen dunklen Körper mit einer matten. Oberfläche trifft, absorbiert dieser die
Strahlung; der Körper wird dadurch erwärmt.
Ein Körper mit heller, glänzender Oberfläche wirft dagegen den grössten Teil der Strahlung
zurück (er reflektiert sie).
Wenn ein Körper Energie in Form von Strahlung aussendet, sinkt seine Temperatur -es sei
denn, er nimmt zur gleichen Zeit selbst Energie in Form von Wärme oder Strahlung auf.
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Konvektion
Wärme kann sich auch dadurch ausbreiten, dass ein erwärmter (flüssiger oder gasförmiger)
Stoff von einer Stelle zu einer anderen transportiert wird. Konvektion bedeutet Mitführung
von Wärme in strömenden Flüssigkeiten und Gasen. In festen Körpern tritt keine
Konvektion auf, da die Moleküle ihren Platz nicht verlassen können
Nutzt man die Druckdifferenzen zwischen kalten und warmen Medien aus, spricht man von
freier Konvektion. Werden wärmemitführende Stoffe, wie Luft und Wasser, zusätzlich durch
Ventilatoren und Pumpen bewegt, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird der
Wärmetransport erzwungene Konvektion genannt.
Bei Schwerkraftheizungen, wie sie früher gebaut wurden, entsteht zwischen der
Vorlauftemperatur von 90°C und der Rücklauftemperatur von 70°C eine Druckdifferenz von
1,25 mbar je Meter Anlagenhöhe. Die Rohrleitungen müssen große Nennweiten haben,
damit die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers und somit die Druckverluste gering sind.
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6. Druck
Bei Einwirkung einer Kraft auf die Fläche eines Körpers entsteht ein Druck (p). Wenn zwei
Körper mit der gleichen Gewichtskraft, aber mit verschieden großen Auflageflächen eine
Unterlage beanspruchen, wirkt in bei- den Fällen die gleiche Kraft; es herrschen jedoch
unterschiedliche Drücke. Bei kleiner Auflagefläche entsteht ein großer Druck, bei großer
Auflagefläche ein kleinerer Druck.
Druckausbreitung in Flüssigkeiten und Gasen
Wird in einem geschlossenen, mit Flüssigkeit oder Gas gefülltem Gefäss an irgendeiner
Stelle ein Druck ausgeübt, so breitet er sich nach allen Seiten gleich aus.
Quecksilbersäule (mm Hg)
-760 mm Hg auf Meereshöhe
= absoluter atmosphärischer Druck (Torricelli, 1608 Toscana)
760 mmHG = 760 Torr = 1013 mbar
Die Luftschicht um die Erde drückt mit ca. 10 N/cm2 (auf Meereshöhe) auf die
Erdoberfläche.
Dies ist für uns ein Druck, den wir nicht spüren (normaler Druck).
Bei unseren Messungen nehmen wir den atmosphärischen Druck als 0 an, unabhängig von
der Meereshöhe.
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Über Meereshöhe nimmt der Druck wie folgt ab:
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8. Energie / Leistung Arbeit
Um einen Körper in Bewegung zu setzen oder hochzuheben, muss Arbeit verrichtet werden.
Die mechanische Arbeit ist gleich dem Produkt der zur Bewegung des Körpers notwendigen
Kraft und des in Kraftrichtung zurückgelegten Weges.
W=F•s
W
F
s
=
=
=
mechanische Arbeit in Nm
Kraft in N
Weg in m
Die Masseinheit der physikalischen Grösse Arbeit ist:
1 Nm = 1J = 1Ws
Da Arbeit, Energie und Wärme gleichartige Grössen sind, ist die gemeinsame Sl-Einheit
Joule (J); weitere Einheiten sind kJ, MJ, Nm, Ws, Wh, kWh. Durch die Umrechnung von
Stunden in Sekunden ist eine Wh 3600 mal so gross wie eine Ws oder ein J.
Es gelten folgende Umrechnungsbeziehungen:
1 Wh = 3600J = 36kJ
1 kWh = 3600kJ = 3,6MJ
Mit der Energie von 1 kJ kann z.B. ein Körper, der eine Gewichtskraft von 1000 N ausübt, 1
Meter hoch gehoben werden. Die dabei aufgewendete Arbeit ist dann als sogenannte
Lageenergie in dem um 1 m angehobenen Körper gespeichert. Sie kann wieder zur
Verrichtung einer Arbeit in der Grösse von 1 kJ verwendet werden.
Energie
Mechanische Energieformen
Ein hochgehobener Rammbär kann beim Herabfallen Arbeit verrichten. Er besitzt also
Energie; man bezeichnet sie als Höhenenergie oder Lageenergie. Auch das Wasser in
einem Stausee besitzt Höhenenergie; das Wasser kann nämlich beim Herabstürzen
Turbinen und Generatoren eines Kraftwerks antreiben.
Die aufgezogene Feder eines Spielzeugautos und ein gespannter Bogen besitzen
Spannenergie.
Höhenenergie (bzw. Lageenergie) und Spannenergie fasst man auch unter dem Namen
potentielle Energie zusammen (Iat. potentia: Macht, Vermögen).
Fliessendes Wasser, stürmischer Wind, ein sich drehendes Schwungrad, ein fahrendes
Auto... -sie alle besitzen Energie. Bei diesen Beispielen „steckt“ sie immer in den bewegten
Massen der Körper. Man spricht deshalb von Bewegungsenergie oder von kinetischer
Energie (griech. kinema: Bewegung).
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Wärmeenergie (thermische Energie)
Wärmeenergie ist die Bewegungsenergie der Teilchen, aus denen alle
Körper aufgebaut sind.
Erhitzt man z.B. ein Gas, so geraten die Gasteilchen in eine immer heftiger werdende
Bewegung; entsprechend größer wird daher der Raum, den sie benötigen. Wenn das Gas
aber in ein Gefäss eingeschlossen ist, trommeln die Gasteilchen immer stärker gegen die
Gefässwände. Ein beweglicher Kolben oder die Schaufeln eines Turbinenrades werden
dadurch fortgedrückt und in Bewegung gesetzt. Das heißt, das Gas verrichtet Arbeit. Auf
diese Weise wandeln Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Benzin- und Dieselmotoren
Wärmeenergie in Bewegungsenergie um.
Chemische Energie
Um Wärmeenergie freizusetzen, werden meist Holz, Kohle, Erdöl oder
Erdgas verbrannt. Diese Brennstoffe speichern Energie in ihren
Molekülen. Man spricht deshalb hier von chemischer Energie.
Auch Batterien enthalten Energie in chemischer Form.
Elektrische Energie
Elektromotoren können verschiedene Arbeiten verrichten (z.B. eine Last hochziehen, Holz
sägen oder Kuchenteig kneten). Um arbeiten zu können, brauchen sie elektrische Energie.
Diese Energieform wird von Elektrizitätswerken geliefert:
• In Wärmekraftwerken wird dazu die Wärmeenergie des Wasser-dampfes genutzt. Sie
wird zunächst von Turbinen in Bewegungsenergie und dann von Generatoren in
elektrische Energie umgewandelt.
• In Wasserkraftwerken nutzt man die Höhenenergie von gestautem Wasser, um daraus
(wieder über die Bewegungsenergie) elektrische Energie zu gewinnen.
Weitere Energieformen
Auch das sichtbare Licht und die unsichtbare Wärmestrahlung, die von heissen Körpern
ausgesandt wird, besitzen Energie: Strahlungsenergie. Eine weitere Energieform ist die
Kernenergie. In Kernkraftwerken wird sie durch die Spaltung von Atomkernen freigesetzt
und in Wärmeenergie umgewandelt. Diese wird genutzt, um Wasser zu verdampfen. Der
Dampf treibt dann -wie in Kohlekraftwerken- Turbinen mit angekoppelten Generatoren an
(Bewegungsenergie -> elektrische Energie).
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8. Leistung
Je weniger Zeit für eine Arbeitsverrichtung benötigt wird, desto höher ist die Leistung.
Daher gilt folgende Definition der Momentanleistung:
Einheit der Leistung P:
Nm/s = J/s = Ws/s = W = Watt
veraltet: 1 PS = 763 W
P
W
t
=
=
=
Leistung in W
Arbeit in Nm
Zeit in s
Wärmeleistung
Wird eine Wärmemenge in einer bestimmten Zeit transportiert oder
umgewandelt, ergibt sich eine Wärmeleistung
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9. Schall
Luftschall
In haustechnischen Anlagen treten häufig Geräusche auf, die die ungestörte Benutzung von
Wohn- und Aufenthaltsräumen stark beeinträchtigen können. Um diese Anlagen
vorschriftsmässig geräuscharm bauen zu können, muss man die wesentlichen Gesetzmäßigkeiten von Schall und Schallübertragung kennen.
Luftschall verbleibt nicht in dem Raum wo er erzeugt wird, sondern breitet sich über jeden
möglichen Weg durch das Gebäude aus. Die Begrenzungsflächen des Raumes bilden
dabei einen mehr oder weniger grossen Widerstand. Massgebend ist dabei die
Luftschalldämmung dieser Begrenzungsflächen (Wände, Türen, Fenster, Decken etc.).
Körperschall
Im Gegensatz zum Luftschall wird beim Körperschall der Bauteil direkt (z.B. durch einen
Hammer) angeregt. Die Energien, welche in einen Bauteil eingeleitet werden, sind
bedeutend grösser als beim Luftschall. Auch beim Körperschall werden die Bauteile in
Schwingungen versetzt, und es erfolgt über den Baukörper eine Übertragung in die
Nachbarräume. Dort wird die Störung wiederum als von den Bauteilen abgestrahlter
Luftschall wahrgenommen.
Typische Körperschallgeräusche, z.B. im Wohnbereich, sind die Geräusche von
haustechnischen Anlagen, das Schliessen von Türen und der im vorderen Kapitel
behandelte Trittschall.
Trittschall
Begehbare Konstruktionen (Decken und Treppen) werden durch Begehen, Stühlerücken
usw. in Schwingungen versetzt, welche sich in die angrenzenden Räume fortpflanzen und
dort als Störung auftreten können. Die Störungen beschränken sich nicht nur auf die direkt
angrenzenden Bauteile, sondern sie wandern von dort zu weiteren Bauteilen eines
Gebäudes, so dass sie, was typisch für den Tritt- und Körperschall ist, sehr oft auch in
entfernt liegenden Räumen noch zu hören sind. Als Beispiel sei das Einschlagen eines
Nagels in einer Wanderwähnt, welches man im ganzen Haus hören kann.
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Schallempfindung
Wie aus der nachfolgenden graphischen Darstellung hervorgeht, ist das menschliche Ohr
nicht bei allen Frequenzen gleich empfindlich. Am empfindlichsten ist es im Bereich
zwischen 2 und 5 kHz.
Beurteilung von Schallpegeländerungen
Oft ist die Änderung des Gesamtschallpegels als Zunahme oder Abnahme zu bewerten. Ist
der Schallpegel eines Geräusches um 10 dB höher als derjenige eines anderen
Geräusches, so wird der erstere doppelt so laut empfunden wie der zweite. Ist hingegen der
Schallpegel eines Geräusches um 10 dB tiefer als derjenige eines anderen Geräusches, so
wird der erstere halb so laut empfunden wie der zweite.
Es soll tunlichst vermieden werden, Schallpegelveränderungen in Prozenten anzugeben,
weil es sich bei Schallpegeln um logarithmische Grössen handelt, sodass mit
Prozentangaben ein falsches Bild entsteht.
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Lästigkeit von Geräuschen
Für die Lästigkeit eines Geräusches gelten die folgenden Regeln:
1.
Hohe Frequenzen werden im Allgemeinen als lästiger empfunden als
tiefe.
2.
Künstliche Geräusche (Maschinen-, Transformatorengeräusche,
Wohngeräusche von Küchen, sanitäre Anlagen, Aufzüge,
Klimaanlagen) sind immer lästiger als Geräusche mit natürlichen
Ursachen (Regen, Wind, Wasserfälle).
3.
Ein kontinuierliches oder in kurzen Abständen periodisch sich
wiederholendes Geräusch ist lästiger als ein vorübergehendes
Geräusch kurzer Dauer mit längeren Intervallen.
4.
Die Lästigkeit von Geräuschen hängt von deren zeitlichen Verlauf
und von der Häufigkeit ihres Auftretens ab:
Eisenbahnzüge stören trotz grosser Lautstärke weniger als
Flugzeuge wegen ihres plötzlichen Erscheinens. Der Lastwagenverkehr stört wegen der grösseren Häufigkeit auch mehr.
5.
Während der Nachtzeit, über die Mittagszeit und über das
Wochenende werden Geräusche als sehr viel lästiger empfunden als
während der normalen Arbeitszeit. Das Ohr erreicht während des
Tages seltener seine volle Empfindlichkeit, da es einer grossen
Schallintensität ausgesetzt ist. Nachts erholt es sich und erreicht
seine volle Empfindlichkeit, sodass Geräusche subjektiv nur nachts
hörbar sind, obschon sie objektiv auch tagsüber vorhanden sind.
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