Wärmetransport

Fachschaft Physik / KSL
Wärmetransport
Verfasst von
Werner Fuchsberger
Thermodynamik
Physikpraktikum Schwerpunktfach
vorgesehene Zeit: 2 Doppelstunden
Einleitung
Wärme (Q) ist eine Transportenergie. Ihr mechanisches Pendant ist die physikalische Arbeit
(W). In einem thermodynamischen System gilt der 1. Hauptsatz der Wärmelehre: Die innere
Energie (U) eines Systems verändert sich durch Zufuhr / Abfuhr von Wärme und/oder Arbeit.
Mit diesem Wärmetransport beschäftigen wir uns hier.
Es gibt 3 Arten von Wärmetransporten:
- Wärmeleitung: Durch Stossprozesse zwischen Molekülen eines Stoffes oder angrenzender Stoffe erfolgt der Transport in Richtung abnehmender Temperatur, ohne dass die Lage der Moleküle verändert wird (kein Wind, kein Strömen). Dass die Wärmeleitung immer
in Richtung zu Körperteilen niedrigerer Temperatur erfolgt ist keine Aussage des 1.
Hauptsatzes sondern eine Aussage des 2. Hauptsatzes. Informiere dich über die Aussagen des 2. Hauptsatzes.
- Wärmeströmung: Zwischen zwei Bereichen verschiedener Temperatur strömt ein Medium, das den Wärmetransport bewerkstelligt. Es nimmt an der heisseren Stelle meist
durch Wärmeleitung Wärmeenergie auf (erwärmt sich dadurch) und gibt an den kälteren
Stellen (ebenfalls meist durch Wärmeleitung) Wärme an den kälteren Bereich ab. Oft
sind solche Strömungen geschlossene Kreisläufe.
- Wärmestrahlung: Jeder Körper gibt durch Aussenden elektromagnetischer Wellen
(hauptsächlich im Infrarotbereich) Wärme an die Umgebung ab. Stoffe absorbieren aber
auch solche Wärmestrahlung. Die Bilanz entscheidet, ob die Temperatur ansteigt oder
sinkt. Wärmestrahlung wird ohne Materie, also durch's Vakuum übertragen. Die quantitativen Zusammenhänge werden durch die Strahlungsgesetze beschrieben: Kichhoff'sches
Strahlungsgesetz, Stefan-Boltzman-Gesetz, Wien's Verschiebungsgesetz und die Zusammenfassung: Planck'sches Strahlungsgesetz. Es ist notwendig, sich mit diesen Gesetzen auseinanderzusetzen. Das Planck'sche Gesetz war der Start für die Quantenphysik im Jahr 1900.
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Versuchsziele:
-
Verständnis für die Funktion der Wärmetransportphänomene
Qualitative Erfahrungen machen und diese in den übrigen physikalischen Kontext
der Thermodynamik einordnen.
Quantitatives Verständnis, Begriffliche Zusammenhänge der Grössen,
mit den zugehörigen Formeln. Rechnungen lösen
Bedeutung der Wärmetransportphänomene erfassen
Umgang mit etwas anspruchsvoller Literatur (Fachhochschul-Stufe)
Vorbereitung
-
Studiere die beiden Hauptsätze der Wärmelehre nach dem Physikbuch.
Suche im Formelbuch Tabellen, die zum Wärmetransport gehören.
Suche im Formelbuch Formeln, die zum Wärmetransport gehören.
Suche im Formelbuch die erwähnten Strahlungsgesetze.
Kläre die Begriffe Frequenz, Intensität, Wellenlänge.
Material
1. Experiment Wärmeleitung, qualitativ
- Stativmaterial
- sternförmig angeordnete Metallstäbe Fe, Cu, Al, Messing
- Bunsenbrenner oder Butangaskocher
- Zündhölzer
2. Experiment Wärmekonvektion:
- Glasrohr
- Farbstoff
- Stativmaterial
- Bunsenbrenner oder Butangaskocher
3. Experiment Wasser
- Proberöhrchen und Holzhalter
- Eisklötzchen, Gewicht und Stoff zum Zerkleinern
- Drahtgeflecht
- Bunsenbrenner
4. Experiment Wärmestrahlung
- Infrastrahler
- Absorptionsmaterialien
- Radiometer
5. Überlegungen zum Dewar-Gefäss
- Dewar-Gefäss, verschliessbar mit Lochstopfen
- Styroporgefäss verschliessbar mit Lochstopfen
- Erlenmeyer-Kolben mit Lochstopfen
alle etwa gleich gross
- 3 elektronische Thermometer
Quellen
div. Lehrbücher
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Durchführung
Die Reihenfolge der Werkstattexperimente ist
1-2-3-4-5 oder
2-3-4-5-1 oder
4-5-1-2-3 oder
5-1-2-3-4
1. Stecke in die vorgesehenen Löcher Zündhölzer mit Kopf nach unten.
Erhitze die Materialien mit dem Bunsenbrenner in der Mitte
Stelle die Reihenfolge der Leitfähigkeiten der Materialien fest
Stelle den ursprünglichen Zustand wieder her
Erstelle eine Liste von 6 wenig ähnlichen Vorgängen mit Wärmeleitung, 3 aus natürlichen Bereichen, 3 aus technischen Bereichen.
2. Fülle das Glasrohr mit kaltem Wasser
Erhitze mit dem Bunsenbrenner (schwach einstellen) das Glasrohr
Gib ein paar Tropfen Farbstoff hinein
Stelle fest in welcher Richtung die Konvektion stattfindet und warum.
Warum ist Wasser besonders gut für Wärmekonvektion geeignet?
Registriere 2 natürliche und 2 technische sehr wichtige Anwendungsbereiche.
Stelle den ursprünglichen Zustand wieder her
3. Fülle in ein Proberöhrchen ein paar kleine Eisstücke
Stosse das Drahtgeflecht hinein, so dass das Eis darunterliegt
Fülle Wasser nach bis 1 cm unter den oberen Rand
Erhitze die Proberöhre im obersten Teil (schräg halten)
Registriere: Ist Wasser ein guter Wärmeleiter?
Stelle den ursprünglichen Zustand wieder her
4. Nimm den Strahler in Betrieb
Beobachte die Farbe des Strahlers in Abhängigkeit der Leistung. (Bei hoher Leistung höhere Temperatur)
Kläre ab, welche Stoffe ein hohes Absorptionsvermögen haben
Wie funktioniert das Radiometer?
5. Fülle die 3 Gefässe mit ca. 50 °C heissem Wasser, verschliesse sie, steck die
Thermometerfühler hinein und miss die Temperaturen alle 1.5 Minuten.
Lies so ab:
Minute 0: Dewar-Gefäss
Minute 0.5: Styroporgefäss
Minute 1.0: Glasgefäss
Minute 1.5: Dewar-Gefäss usw...
Registriere den Temperaturverlauf aller 3 Gefässe während ca. 12 Minuten
Bei Wartezeiten oder am Schluss führe die Zusatzaufgaben durch
Auswertung
Die Auswertung der Aufgaben erfolgt im Protokollheft. (1 Expl. je Gruppe)
Die Zusatzaufgaben werden im Physikheft gelöst. (jede/r Schüler/in)
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Zusatzaufgaben Schwerpunktfach; Bezug auf "Physik für technische Berufe"
1. Was versteht man unter der Wärmeleitfähigkeit ? (Wortdefinition, verstehen!)
Bestimme ihre SI-Einheit
2. Physik für technische Berufe, S. 213-216:
Erfasse die Begriffe Wärmeübergang und Wärmedurchgang und notiere das Ergebnis in wenigen Sätzen
3. Was versteht man unter der Wärmedurchgangszahl k (kurz k-Wert). Es ist einfacher, den Reziprokwert von k zu definieren.
4. Vollziehe die Aufgaben S 216/1 nach.
5. Studiere auf Seiten 217-221 die Kapitel a) b) c) d) und f)
Beantworte nun schriftlich die folgenden Fragen:
- Was sind Wärmestrahlen?
- Welcher Bezug besteht zwischen Reflexionsgrad, Absorptionsgrad, Transmissionsgrad?
- Was ist ein schwarzer Körper? Wie kann man ihn realisieren?
- Wie lautet das Kirchhoff'sche Strahlungsgesetz?
- Wie lautet die wesentliche Aussage des Stefan-Boltzmann-Gesetzes?
- Welche Grössen werden durch das Planck'sche Strahlungsgesetz in Bezug gesetzt?
- Was sagt das Wien'sche Verschiebungsgesetz aus
6. Berechne die gesamte von der Sonne abgestrahlte Leistung, wenn die Solarkonstante bekannt ist: S = 1.3 kW/m2. (Ergebnis: 3.7 · 1026 W).
7. Berechne mit dem Ergebnis von 6. die Oberflächentemperatur der Sonne unter
der Annahme, dass sie wie ein schwarzer Körper strahlt. (Ergebnis: 5700 K)
8. Bestimme jene Wellenlänge des Sonnenlichts, bei welcher maximale Strahlungsintensität vorliegt. (Energieverteilung sei ähnlich wie bei einer Schwarzkörperstrahlung. Vergleiche das Ergebnis mit den Wellenlängen für sichtbares Licht:
welche Farbe? (Tabelle Seite 328). (Ergebnis: 5.1 · 10-7 m)
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