Wärme

6. Wärmelehre
6.1 Wie entsteht Wärme?
Reibungswärme
•
•
•
•
Handflächen reiben
Seil herunterrutschen
Bremsen beim Fahrrad, Auto, Zug
Bohren (Versuch!! mit Bohrmaschine:
Bohrer und Bohrstück werden warm)
Verbrennungswärme
• In Holz, Öl, Gas, Kohle ist chemische Energie gespeichert.
Sie wird bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt.
• Diese Wärme kann zum Teil für den Antrieb von Motoren
verwendet werden. z. B. Ottomotor.
Kapitel 6 Wärmelehre
Stromwärme
• Tauchsieder
• Glühlampe wird heiß
• Bügeleisen
Wärme ist eine Form von Energie.
Kapitel 6 Wärmelehre
6.2 Die Natur der Wärme
Versuch:
Glaswanne wird von Licht durchstrahlt.
Ergebnis:
Die Schwebeteilchen im Wasser bewegen sich.
Wh. 2. Klasse:
Alle Körper sind aus Teilchen aufgebaut. Diese bewegen sich ständig.
Wir sprechen von thermischer Bewegung oder Molekularbewegung.
Die Teilchen haben kinetische Energie (Bewegungsenergie).
Die kinetische Energie aller Teilchen eines Körpers ergibt seine
Wärmeenergie.
Die Einheit der Wärmeenergie ist das Joule.
Kapitel 6 Wärmelehre
Wärme breitet sich von alleine aus.
Körper 1
Temperatur 1
Körper 2
Wärme geht von selbst immer
von einem Körper höherer
Temperatur zu einem Körper
niederer Temperatur.
Temperatur 2
Teilchen im wärmeren Körper werden langsamer, die im kälteren schneller.
Es kommt zu einem Ausgleich.
?
Problem: Manche Flaschen und Gläser mit metallischen
Schraubverschlüssen lassen sich nicht öffnen.
Lösung: Wir stellen die Flasche oder das Glas in warmes
Wasser. Dadurch erhöht sich der Innendruck und das Öffnen
geht leicht.
Kapitel 6 Wärmelehre
6.2.1 Die spezifische Wärme
Versuch:
Erwärmung einer bestimmten Wassermenge mit dem Tauchsieder.
Dauer
Masse
90 s
400g
45 s
400g
45 s
200g
Temperaturerhöhung
Die spezifische Wärme eines Körpers ist jene Wärmemenge, die
nötig ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen.
Kapitel 6 Wärmelehre
Stoff
spez. Wärme J/kg°C
Wasser
4187
Eis
2100
Aluminium
850
Kupfer
380
Eisen
460
Blei
130
1 kJ = 1000 J
Führe Aufgabe 2.4 und 2.5 Seite 6 aus:
Q = 1kg . 4187 J/kg°C · 25 = 104675 J = 104,675 kJ
Q = 1kg . 4187 J/kg°C · 82 = 343334 J =343,334 kJ
Zu 2.5:
Wasser hat eine große spezifische Wärme und kann
daher viel Wärmeenergie speichern.
Kapitel 6 Wärmelehre
Versuch:
3 Kegel aus verschiedenen Materialien - aber gleicher Masse und
gleichem Öffnungswinkel - werden über 70°C erwärmt,
anschließend in Wachs getaucht.
Al
Fe
Pb
Überlege, was passiert!
Kapitel 6 Wärmelehre
Versuch:
3 Kegel aus verschiedenen Materialien - aber gleicher Masse und
gleichem Öffnungswinkel - werden über 70°C erwärmt,
anschließend in Wachs getaucht.
Al
Al
Fe
Fe
Pb
Pb
Ergebnis: Der Al-Kegel dringt am tiefsten ein, der Blei-Kegel
am wenigsten.
Begründung: spez. Wärme von Al am höchsten von den 3
Stoffen.
Kapitel 6 Wärmelehre
6.3 Wärmeübertragung
6.3.1 Wärmeleitung
Versuch:
Cu
1 2 3
Fe
4 5 6
Ergebnis: Die Kügelchen fallen in
der Reihenfolge: ……………….
Wärme schreitet im Körper von
Teilchen zu Teilchen fort.
Kapitel 6 Wärmelehre
Gute Wärmeleiter:
Metalle
Anwendung: Kühlrippen, Kochtopf, Heizkörper aus Metall, …
Schlechte Wärmeleiter (Isolatoren)
Sie sollen den Wärmetransport verhindern.
Holz, Stoffe, Kunststoffe,
Steinwolle, Styropor, Kork zum Dämmen von Gebäuden
Verbundglasfenster mit Luftschicht als Isolator
Flüssigkeiten
Gase
Buch Seite 8 Aufg. 3.1 und 3.2
3.1 Ummantelung mit Steinwolle oder Schaumgummi
3.2 Bakelit, bzw. Kunststoff
Kapitel 6 Wärmelehre
6.3.2 Wärmeströmung
Bei der Wärmeströmung
bewegen sich die Teilchen in
einer Richtung.
Das wärmere Wasser hat eine
geringere Dichte als das kältere
und steigt daher hoch.
Kapitel 6 Wärmelehre
Anwendungen zur Wärmeströmung
Kaminwirkung
Die warmen Abgase steigen
nach oben.
Zentralheizung
Lüften von Räumen (warme Luft geht beim Fenster oben hinaus,
kalte sinkt herein).
Aufwinde an Südhängen
Vgl. B. S. 13
Kapitel 6 Wärmelehre
Aufgabe: Buch Seite 9 Aufg. 4.1 und 4.2
Zu 4.1 Luft zirkuliert im Zimmer
Zu 4.2 Decke, weil sich dort die
warme Luft ansammelt.
Zu 4.3
Golfstrom, warme Meeresströmung im nördlichen Atlantik. Der
Golfstrom entsteht aus der Vereinigung von Florida- und Antillenstrom
nördlich der Bahamainseln und erstreckt sich bis südlich der
Neufundlandbank. Dort fließt ein großer Teil des Golfstroms nach
Südosten und später nach Südwesten und bleibt im
Nordamerikanischen Becken. Der verbleibende Teil umströmt die
Neufundlandbank und beginnt als Nordatlantischer Strom in Richtung
Europa zu fließen. Das von ihm mitgeführte Wasser erhöht die
Wasser- und Lufttemperaturen vor Nordwesteuropa.
Kapitel 6 Wärmelehre
6.3.3 Wärmestrahlung
Breitet sich die Wärme ohne ein Medium aus, sprechen wir von
Wärmestrahlung.
Die Strahlung breitet sich geradlinig aus.
Beispiele:
• Sonnenenergie durch das
Weltall
• Heizstrahler im Bad
• Starker Scheinwerfer
• Strahlung eines Kachelofens
Kapitel 6 Wärmelehre
Versuch zur Wärmestrahlung
°C
schwarz
°C
silbrig
• Schwarzes Blech wird
schneller heiß.
Dunkle und raue Körper
absorbieren mehr Wärme. Sie
strahlen auch mehr Wärme ab
als glatte und helle.
Anwendung:
Sonnenkollektor: In ihm wird die Sonnenstrahlung verwendet um
Wasser zu erwärmen.
Die Aufstellung sollte nach Süden sein. Sehr günstig 45° Neigung.
Kapitel 6 Wärmelehre
Kapitel 6 Wärmelehre
Schema einer thermischen Solaranlage
Kapitel 6 Wärmelehre
Kapitel 6 Wärmelehre
Die Erwärmung einer Fläche hängt vom Einfallswinkel der
Wärmestrahlen ab.
Auf dieselbe Fläche fallen bei
schrägem Einfall weniger Strahlen.
l
l
Damit lässt sich auch Sommer Winter erklären.
Kapitel 6 Wärmelehre
Zusammenfassung S. 11 abschreiben.
Führe die Aufgaben S. 11 Nr. 5.1, 5.2 und 5.3 aus!
Seite 11 Aufgabe 5.1: Weiße (helle) Kleider
5.2 Schmelzen
5.3 Dass die Strahlen reflektiert werden.
Aufbau einer Thermoskanne:
Metall wegen Reflexion der Strahlen
Glas: schlechter Wärmeleiter
Vakuum: Schlechter Wärmeleiter. Verhindert Wärmeströmung
Kapitel 6 Wärmelehre
6.4 Brennstoffe und ihr Heizwert
Lies B. S. 12
Fossile Brennstoffe: Holz, Kohle, Heizöl, Erdgas, Propangas usw.
Sie sind alle durch die Sonnenstrahlung entstanden. (Wachstum der
Pflanzen).
Sie geben bei der Verbrennung um so mehr Wärme ab, je mehr sie
Kohlenstoff enthalten.
Um die Brennstoffe vergleichen zu können wird der Heizwert eingeführt.
Der Heizwert eines Stoffes ist jene Energie, die bei der Verbrennung
von 1kg dieses Stoffes frei wird.
Kapitel 6 Wärmelehre
Der Heizwert eines Stoffes ist jene Energie, die bei der Verbrennung
von 1kg dieses Stoffes frei wird.
Stoff
Heizwert in kJ/kg
Holz
15000
Koks
30000
Benzin
42000
Propangas (ca 0,5 m3)
50000
Heizöl extra leicht (Diesel)
42000
Probleme:
Die Erdöl- Erdgas und Kohlevorräte, die bereits vor Millionen von Jahren
entstanden sind, werden erst seit dem 18. Jahrhundert in großen
Mengen abgebaut.
Wenn der Energieverbrauch auf dem derzeitigen Niveau bleibt, werden
die Erdölreserven noch ca. 50 - 100 Jahre reichen.
Die fossilen Brennstoffe setzen bei der Verbrennung das Treibhausgas
CO2 frei, das zu einer Klimaveränderung führt.
Kapitel 6 Wärmelehre
Die fossilen Brennstoffe setzen bei der Verbrennung das
Treibhausgas CO2 frei, das zu einer Klimaveränderung führt.
!!!!! Energie möglichst sparsam einsetzen.
mehr fördern!!
•
•
•
•
Solare Brauchwasserbereitung
Nutzung der Sonnenenergie zum Heizen
Wärmepumpen
Isolieren von Gebäuden, ....
Kapitel 6 Wärmelehre
Alternativenergien
6.5 Heizsysteme
Lies Buch S. 13
Früher: Ofen (Holz, Kohle) für jedes Zimmer.
Heute meist: Warmwasser-Zentralheizung.
Wasser wird im Heizkessel erwärmt und mit einer Umwälzpumpe in
die Heizkörper transportiert (Vorlauf). Das Wasser gibt im
Heizkörper seine Wärme ab und fließt über den Rücklauf in den
Heizkessel.
Die Beheizung des Heizkessels kann mit Holz, Kohle, Öl, Gas
erfolgen.
Billiger und umweltfreundlicher ist der Betrieb einer Wärmepumpe.
(Anschaffung ist teurer). Mit einem Einsatz von 1 kWh bekommt
man 4 kWh an Wärmeenergie. (3/4 kommen aus der Umgebung)
Heizsystem muss passen (niedere Vorlauftemperatur (max. 55°C)).
Kapitel 6 Wärmelehre
Alternative Beheizungen:
• Kachelofen (mit Umluft auch für mehrere Räume verwendbar)
• Warmluftkollektoren mit Geröllspeicher.
• Sonnenkollektoren sind höchstens als Vorheizung im Winter
geeignet.
• Für die Bereitung von Warmwasser sind sie für das Sommerhalbjahr
aber ideal (April - Sept.) Man kann damit 60% des
Warmwasserbedarfs decken.
Hausübung:
Preise für Gas, Heizöl und Kohle erfragen.
Heizkosten für Einfamilienhaus pro Heizsaison.
Herausfinden, welches Heizsystem zuhause verwendet wird.
Kapitel 6 Wärmelehre
Erhebung Heizsysteme
Art der Heizung
Verbrauchte Heizmaterialmenge (Liter, m³, kwh,..)
Heizwert des Heizmaterials
Wärmeenergie = Heizwert x Menge
Flächeninhalt der beheizten Fläche
„Energiekennzahl“ = Wärmeenerg ie
Fläche
Anzahl der Personen
Energieverbrauch pro Person
Art der Warmwasserbereitung (elektr. / Sonne/ mit
Heizung)
Ist die Warmwasserbereitung in der obigen
Heizmaterialmenge enthalten?Kapitel 6 Wärmelehre
6.6 Brandbekämpfung
Lies Buch S. 14.
Voraussetzungen für Verbrennung:
Brennbarer Stoff und Sauerstoff.
Ein Maß für die Feuergefährlichkeit eines Stoffes ist sein
Flammpunkt. Darunter versteht man jene Temperatur, von der an
sich das Gemisch aus dem Dampf des brennbaren Stoffes mit der
Luft entzünden lässt.
Flammpunkte: Ether: -40°C
Benzin: -20°C
Dieselöl: 55°C
Kapitel 6 Wärmelehre
Brandbekämpfung:
• Abkühlen der brennbaren Stoffe z. B. mit Wasser.
Achtung nicht bei brennenden Flüssigkeiten!!!!
• Verhindern der Sauerstoffzufuhr: feuchte Decken über den
brennenden Körper.
Feuerlöscher ist meist mit Kohlendioxid gefüllt (verhindert
Luftzufuhr)
Feuerwehr: 122
Rettung: 144
Gendarmerie 133
Kapitel 6 Wärmelehre
6.7 Zustandsänderungen
Alle Gegenstände werden als Körper bezeichnet.
Sie treten in verschiedenen Zustandsformen auf.
Festkörper
Flüssigkeiten
gasförmig
Gase
fest
flüssig
Kapitel 6 Wärmelehre
Überlegungen:
Eiswürfel in die Hand nehmen. Er wird allmählich zu Wasser. Dazu
ist Wärme nötig.
Zum Sieden ist ebenfalls Wärme nötig.
Aggregatzustandsänderungen:
Gas
Die Übergänge sind mit
Wärmezufuhr bzw. mit
Wärmeabgabe verbunden.
Ve rdam pfe n
Re s ublim ie re n
Konde ns ie re n
Sublim ie re n
Schm e lze n
Festkörper
Ers tarre n
Flüssigkeit
Kapitel 6 Wärmelehre
Auch Änderungen des
Druckes können zu
Aggregatzustandsänderungen führen.
z. B. Propangas wird in
Flaschen unter sehr hohen
Druck gesetzt, dadurch wird
es dort flüssig.
6.7.1 Schmelzen und Erstarren
Versuch:
1 Liter Wasser mit 80°C und 1 kg Eis werden zusammengemischt.
Vgl. Abb. 11.1 Seite 17
Ergebnis:
Es entstehen 2 kg Wasser mit einer Temperatur von 0°C.
Wir berechnen die eingesetzte Wärmeenergie:
Um Wasser von 0°C auf 80°C zu erwärmen benötigen wir
80·4,187 kJ = 334,96 kJ
Diese Wärme benötigen wir für das Schmelzen von 1kg Eis.
Die Schmelzwärme eines Stoffes ist jene Wärmeenergie, die nötig
ist, um 1kg eines Stoffes beim Schmelzpunkt vom festen in den
flüssigen Zustand zu bringen.
Kapitel 6 Wärmelehre
Die Schmelzwärme des Eises beträgt 335 kJ/kg.
Diese Wärme ist im Vergleich zu anderen Stoffen ziemlich groß.
Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand wird die
Erstarrungswärme frei.
Die Erstarrungswärme ist gleich groß wie die Schmelzwärme.
Anwendung: Frostbekämpfung. Lies B. S. 17 Abb. 11.2
Kapitel 6 Wärmelehre
Volumsänderungen beim Schmelzen und Erstarren.
Versuch1:
Paraffin erstarren lassen.
→ Es zieht sich
zusammen.
Kapitel 6 Wärmelehre
Versuch2:
Kältemischung mit drei Teilen
Eis und einem Teil Kochsalz
herstellen. Eine Eprouvette mit
10 cm Wassersäule langsam
hineingeben.
→ Wasser erstarrt und dehnt
sich um ca. 1/11 des Volumens
aus.
Die meisten Stoffe dehnen sich
beim Schmelzen aus und ziehen
sich beim Erstarren zusammen.
Ausnahme Wasser. Das Wasser
dehnt sich beim Gefrieren.
Kapitel 6 Wärmelehre
Bedeutung in der Natur: Überlege Aufgaben 11.1 bis 11.5 B. S. 18
Kapitel 6 Wärmelehre
Löten und Schweißen
Lies Buch Seite 19!
Metalle können durch Löten bzw. Schweißen miteinander
verbunden werden.
Kapitel 6 Wärmelehre
6.7.2 Anomalie des Wassers
Die meisten Flüssigkeiten beanspruchen bei höherer Temperatur ein
größeres Volumen. (Sie dehnen sich aus. vgl. Flüssigkeitsthermometer)
Bei Wasser zeigt sich zwischen 0°C
und 4°C ein anderes Verhalten.
°C
Versuch:
Hohes Glas mit Wasser und zerkleinertem
Eis gefüllt. Gut mischen.
°C
2 Thermometer: T1 taucht bis zum Boden ein,
T2 taucht bis zur schwimmenden Eisschicht ein.
0°C
Ergebnis: T1 zeigt 4°C, T2 zeigt 0°C.
Folgerung: Das Wasser mit der größeren
Dichte sammelt sich unten an.
Wasser hat bei 4°C seine größte Dichte und
sein kleinstes Volumen. Kapitel 6 Wärmelehre
4°C
Hausübung: Abb. 13.2 Seite 20 zeichnen (beide Bilder).
Die Anomalie des Wassers hat eine große Bedeutung für die
Wasserlebewesen.
Wasser gefriert von oben zu. Tiefe Gewässer gefrieren nie bis
zum Boden.
Winter
Sommer
Kapitel 6 Wärmelehre
6.7.3 Verdampfen, Sieden, Verdunsten
Wh: Wie haben wir die Temperatureinheit Grad
Celsius festgelegt?
Sieden erfolgt bei einer ganz bestimmten
Temperatur.
Verdunsten erfolgt bei beliebiger Temperatur.
(Ist ein Vorgang an der Oberfläche der
Flüssigkeit.)
Wir haben gelernt: Wasser siedet bei Normaldruck
(1013 mbar) bei 100°C
Kapitel 6 Wärmelehre
Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck.
Versuch: Becherglas mit Wasser von Zimmertemperatur gefüllt
unter Vakuumpumpe.
Ergebnis: Wasser siedet bei sehr kleinem Druck bereits bei
Zimmertemperatur.
Gibt man Wasser in einen abgeschlossenen Topf und erhitzt es, so
siedet es erst bei höherer Temperatur.
Grund: Der Druck ist höher und erhöht damit den Siedepunkt.
Anwendung: Dampfdruckkochtopf (Schnellkochtopf).
(Achtung: Sicherheitsventil nötig)
Dort sieden die Speisen erst bei etwa 125 °C. Dies hat den Vorteil,
dass die Speisen schneller gar werden. (Lebenswichtige Vitamine
und Mineralsalze bleiben erhalten).
Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab. Bei höherem Druck
wird sie höher, bei geringerem erniedrigt sie sich.
Kapitel 6 Wärmelehre
Kapitel 6 Wärmelehre
Die Verdampfungswärme
Beim Sieden stellt man fest, dass man beim Siedepunkt ständig
Wärme zuführt, ohne dass sich die Temperatur erhöht.
Diese Wärmeenergie wird benötigt, dass sich der Dampf ausdehnen
kann. Er benötigt ein viel größeres Volumen als die Flüssigkeit
(1 dm³ Wasser → 1700 dm³ Dampf). Zwischen den Dampfmolekülen
herrschen fast keine Molekularkräfte.
Die Verdampfungswärme ist jene Wärmeenergie, die nötig
ist, um 1kg einer Flüssigkeit beim Siedepunkt in den
dampfförmigen Zustand zu bringen.
Beim Verdunsten haben wir die Verdunstungskälte.
Die Verdampfungswärme des Wassers beträgt 2260 kJ/kg.
Vergleiche Tabelle Buch S. 22.
Kapitel 6 Wärmelehre
Versuch: Wattebausch in Spiritus oder Äther eintauchen und
um ein Thermometer wickeln.
Ergebnis: Es kühlt ab.
Versuch: Uhrglas auf Korken mit Wassertropfen stellen. In das
Uhrglas ein paar Tropfen Äther gießen und rasch mit Gebläse zum
Verdunsten bringen.
Ergebnis: Es bildet sich eine Eisschicht infolge der Verdunstungskälte.
Aufgaben 14.1 bis 14.6 Buch Seite 22.
Kapitel 6 Wärmelehre
6.7.4 Verflüssigung (Kondensation)
Übergang: Gasförmig → flüssig.
Dies wird durch Abkühlen erreicht.
Versuch: Wir bringen in einem
Kolben Wasser zum Sieden. Den
Wasserdampf leiten wir in ein
Gefäß mit kaltem Wasser, dessen
Masse und Temperatur wir vorher
bestimmt haben.
Nach einer gewissen Zeit messen wir wieder die Temperatur des
Wassers und die Masse.
Die Masse hat nur wenig zugenommen, die Temperatur
verhältnismäßig viel.
Kapitel 6 Wärmelehre
Versuchsergebnis 3f Klasse (27. 3. 2008)
m1 = 272,4 g = 0,2724 kg
t1 = 20,9 °C
m2 = 292,2 g = 0,2922 kg
t2 = 35,2 °C
mD = 0,0198 kg Masse des
Wasserdampfs, der kondensiert ist
ΔT = 14,3 °C
Wärmemenge, um m1 um ΔT zu erwärmen:
Q1 = 4187·0,2724·14,3 = 16309,7 J
Wärmemenge, die der kondensierte Wasserdampf mD beim
Abkühlen von 100°C auf 35,2 °C abgegeben hat:
Q2 = 4187·0,0198·64,8 = 5372,1 J
ist viel weniger.
Der größere Teil stammt von der Kondensationswärme: QK = 10937,6 J
Kapitel 6 Wärmelehre
Destillieren:
Als Destillieren bezeichnet man das Verdampfen einer Flüssigkeit und
das anschließende Verflüssigen.
Diese Methode kann verwendet werden, um Flüssigkeitsgemische mit
verschiedenem Siedepunkt zu trennen bzw. zu reinigen.
Beispiele:
Schnaps-Brennen.
Fraktionierte Destillation des Erdöls.
Führe Aufgabe 15.1 B. S. 23 aus!
Kapitel 6 Wärmelehre
6.7.5 Die Wärmepumpe
Kapitel 6 Wärmelehre
Vorgänge bei der Wärmepumpe:
1. Verdampfen:
Flüssiges Kältemittel wird bei
niederem Druck verdampft. Die
Verdampfungs-wärme wird der
Umgebung entzogen. (Grundwasser,
Fluss, Erdreich, Luft )
2. Verdichten:
Der Kompressor saugt das
dampfförmige Kältemittel an und
verdichtet es. Dabei erwärmt es sich,
bleibt aber dampfförmig.
3. Verflüssigen:
Der überhitzte Dampf wird vom Verflüssiger abgekühlt. Dabei
kondensiert das Kältemittel und gibt die Kondensationswärme ab. Der
Verflüssiger wird für den Heizkreislauf verwendet.
4. Entspannen:
Das Expansionsventil gleicht den Druckunterschied aus. Das jetzt
wieder flüssige Kältemittel gelangt in den Verdampfer zurück.
Kapitel →Kreisprozess.
6 Wärmelehre
Vorgang 1 bis 4 wiederholt sich.
Versuch:
Wir erwärmen 5 kg Wasser
Temperatur
vorher
25°C
nachher
50°C
∆T = 25°C
25°C
Elektrische Energie
63,94 Wh
Erhaltene Wärmeenergie: Q = 4187·5 · 25 = 523375 J = 145,38 Wh
Güteziffer: Erhaltene Energie / hineingesteckte Energie.
Güteziffer = 145,38/63,94= 2,27
Das heißt: Wir erhalten doppelt soviel, wie wir hineingesteckt haben.
Bei heutigen Wärmepumpen erzielen wir die Güteziffern von 4.
Bemerkung: Der Kühlschrank ist eine umgekehrt betriebene
Wärmepumpe.
Kapitel 6 Wärmelehre