7-Farbmacher+Langreiter_Waermeerzeugung

Wärmeerzeugung
eine Präsentation von
Markus Farbmacher und
Johann Langreiter
Inhalt

Warum ist die Erde nicht
schon längst ausgekühlt?

Kernfusion

Strahlungshaushalt der Erde

Induktionsherd

Feuer
Aufbau der Erde
1 100 °C
2 500 °C
4 500 °C
Der Kern besteht zum
Großteil aus Eisen und
Nickel. Die Temperatur
und Druckverhältnisse
halten den äußeren Kern
bis zu einer Tiefe von
5 000 km flüssig.
Temperaturverlauf
Herkunft der Erdwärme
2 wesentliche Quellen:

starke Kompression durch Gravitation bei Entstehung. Diese Wärme
wurde gespeichert, da die starre Kruste ein sehr schlechter
Wärmeleiter ist. (ca. 30 – 40 % der heute in der Erde gespeicherten
Wärme stammen aus ihrer Entstehung)

natürliche Radioaktivität
(häufigste Elemente: K40, Th232, U235, U238)
Die Temperatur gelangt hauptsächlich durch Konvektion und
Wärmeleitung an die Oberfläche.
Konvektion
Kern-Mantel-Grenze:

Material erhitzt sich und dehnt sich adiabatisch aus
 Aufstieg aufgrund geringerer spezifischer Dichte.

Material nimmt die gespeicherte Wärmeenergie mit sich nach oben.
1 km3 Mantelgestein (3 000 K) enthält eine Energie von etwa
15 1018 Joule.
Ablauf der Konvektion
Das Gestein steigt bis zur 660km-Diskontinutät auf. Die dortigen
Druck- und Temperaturbedingungen ändern die Struktur des
Gesteins. Dieser Vorgang ist endotherm (Energieaufwand). Diese
Phasengrenze ist auch die Grenze für Konvektionsströme.
Das Gestein bewegt sich entlang der Grenze, gibt ständig Wärme
ab und sinkt wieder nach unten. Es entsteht eine sog.
Konvektionszelle.
Konvektion ist auch der Prozess, der die Plattentektonik antreibt und
damit die Bewegung der Kontinente und für Erdbeben und
Vulkanismus verantwortlich ist.
Konvektion, Plumes, Hotspots
Plumes & Hot Spots
Es gibt aber auch Fälle bei denen das Material die 660kmDiskontinuität durchbricht und sich durch die Kruste brennt. An der
Oberfläche bilden sich sog. Hotspots (Hawaii, Island).
Da bei Plumes ständig Material nachströmt, bleiben Hotspots über
eine sehr lange Zeit erhalten und fast am selben Platz, die
Kontinentalplatten bewegen sich jedoch.
So wurde etwa die Inselkette Hawaii durch ein und denselben
Hotspot erzeugt.
Hotspot: Hawaii
Die Inseln werden
nach Nordwesten
immer älter.
Die Pazifische
Platte hat vor ca. 40
Mio. Jahren ihre
Richtung geändert.
Wärmeleitung
Die Kruste ist im Vergleich zum Mantel starr  Wärmetransport
durch Wärmeleitung
Diffusionsprozess 1. Fick‘sches Gesetz
An der Oberfläche ist die Wärmestromdichte doppelt so groß wie an
der Unterseite der Kruste (ca. 40 km).
Grund:
Oberseite der Kruste enthält relativ viel radioaktives Material.
Wärmestromdichten
Einfluss auf die Erdoberfläche

Der Einfluss der Sonnenstrahlung ist um den Faktor 105 größer als
die Wärmestromdichte aus der Erde. (An der Oberfläche gar nicht
messbar.)

Die Temperaturen schwanken an der Oberfläche tageszeitlich und
jahreszeitlich bedingt um einen Mittelwert, welcher der
Jahresdurchschnittstemperatur an diesem Ort entspricht.

Bei uns werden in 20 Meter Tiefe keine Schwankungen mehr
beobachtet. (Durchschnittstemperatur: ca. 10 °C)
Wärmestromdichte in Europa
Hydrothermale Systeme
Aquifere (lat.: Aqua = Wasser, ferre = tragen)
Sedimentschichten in 2 bis 3 km Tiefe sind sehr porös und enthalten
sehr viel Wasser.
System wird über zwei Bohrungen angezapft (Extraktionsbohrung
und Injektionsbohrung) diese liegen 1 bis 2 km auseinander.
Wassertemperatur in dieser Tiefe ca. 100 °C. Die Druckverhältnisse
pressen das Wasser bis auf ca. 100 m unter die Oberfläche.
Ab 100 m unter der Oberfläche verwendet man Tauchpumpen.
Später wird über Injektionsbohrung wieder neues Wasser
nachgefüllt.
Schematische Darstellung
Kernfusion - Einführung







1905 Albert Einstein entwickelt die Formel E=mc2
1923 Rutherford: Sonne bezieht Energie aus Kernfusion
1928 Gamow entdeckt den Tunneleffekt

die hohe Reaktionsrate der
postulierten Kernfusion in der Sonne
kann somit erklärt werden
1934 erste Kernfusion im Labor (Rutherford, Walton und Cockroft)
1952 H-Bombe wird gezündet
1978 Bau des JET („Joint European Torus“)
2003 Europa bewirbt sich mit Cadarache (Frankreich) für den
Standort des ITER („International Thermonuclear
Experimental Reactor“)
Was ist Kernfusion?

Vereinigung von zwei leichten Atomen zu einem schweren.

Energie aus Massendefekt
E  mc

2
Massendefekt resultiert aus unterschiedlichen Bindungsenergien in
den Atomen.
Beispiele für Fusionen

Etwa 80 Fusionen 1a: D  D  3 He(0,8)  n(2,5)
sind bekannt:
1b: D  D  T (1)  p(3)
2: D  He  He(3, 7)  p (14, 7)
3
4
3: D  T  4 He(3,5)  n(14)
4: T  T  4 He(1,3)  2n(10)
5: p  11B  3 4 He(8)
6: p  6 Li  3 He(2, 2)  4 He(1, 7)
Angaben in MeV
Fusion: Deuterium & Tritium
D+T
→
4He
(3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
 +17,6 MeV
Fusionskriterien

Kerne müssen Coulombpotentialbarriere überwinden um
in den Bereich der kurzreichweitigen Kernkräfte zu
gelangen.
„Sir A. Eddington schätzte 1926 die Temperatur in der
Sonne auf 40 106 K. Für die gemessene Fusionsrate
sind jedoch etwa 1010 K nötig.“

Die Entdeckung des Tunneleffekts (1928 G. Gamow)
konnte Erklärung liefern.
Kernfusion in den Sternen



„Anfangsenergie“ ist potentielle- (gravitations-) Energie
in stabiler Phase müssen Gravitationsdruck und Gasdruck
(Strahlungsdruck) im Gleichgewicht stehen
Selbstregulierender Prozess
Fakten zur Sonne

Bestandteile:
73 % H, 25 % He, 2 % andere Elemente

Leistung:
400 Trillionen GW (400*1027 W)

Könnte man 1 s lang die Gesamtenergie der Sonne auffangen,
würde dies die Industriestaaten für mehrere Milliarden Jahre mit
Energie versorgen.
Vorteile der Kernfusion

enorme Energieausbeute

weniger Radioaktivität

„unerschöpfliche“ Ressourcen
Gefahren und Nachteile der KF

Tritium kommt in der Natur nicht vor
(muss aus Lithium erbrütet werden)

Radioaktives Ausgangsprodukt (Tritium)

Energie in Form von Neutronenstrahlung
(radioaktive und brüchige Materialien  ständiger Austausch)

Extrem hohe Temperaturen

Große Einheiten (Hochspannungsleitungen, Ersatzblöcke)
Joint European Torus (JET)

Technische Daten
International Thermonuclear
Experimental Reactor (ITER)

Standort: Cadarache (Südfrankreich)

Kosten: 5 Mrd. €

Beteiligte Staaten:
EU, China, Indien, Japan,
Russland, Südkorea, USA
Technische Daten:
Strahlungshaushalt der Erde
Strahlungshaushalt der Erde



Wir betrachten die Erde idealisiert als „Schwarzen Strahler“.
→ Stefan – Bolzmann – Gesetz P = σAT4
Solarkonstante S = 1368 W/m2
Gleichgewicht  πR2S = 4πR2σT4
 T = 278 K (Achtung: Ergebnis 0-ter Ordnung)

Erde ist kein „Schwarzer Strahler“, sondern ein „Grauer (Lambert-)
Strahler“
Emissionsvermögen:
Strahlungshaushalt der Erde
Reflexionsvermögen:
durchschn. Albedo
Erde = 0,3
Strahlungshaushalt der Erde
Strahlungshaushalt der Erde

1. Näherung:
Strahlungshaushalt der Erde

Ursache der Abweichung: Der natürliche Treibhaus-Effekt.
Atmosphäre transparent für
Solarstrahlung aber nicht für
terrestrische Infrarotstrahlung
Strahlungshaushalt der Erde
Induktionskochfeld

Aufbau
Frequenz der Induktionsspule
etwa 25 bis 50 kHz
magnetisches Wechselfeld
verursacht :
1. Magnetisierung und schnelle
Ummagnetisierung –
Hysteresiskurve
2. Wirbelströme
Hysteresiskurve
Integral unter der Hysteresiskurve
entspricht der Energie, die im Stoff bei
seiner vollständigen Ummagnetisierung
in Wärme umgewandelt wird.
Wirbelströme
Durch induktiv erzeugte
Wirbelströme wird über
elektrischen Widerstand
Hitze erzeugt.
Vorteile der Induktionskochfelder




sehr geringe Reaktionszeit bei Änderung der Einstellung (kurze
Vorwärmzeit, dosierbares Anbraten)
relativ kühle Kochplatte (wird nur sekundär durch den Topf erwärmt)
Energieersparnis bei kurzen Kochzeiten, da nur eine relativ geringe
Masse erwärmt wird. (Elektroherd: ganze Herdplatte; Gasherd:
Energieverlust durch Strahlung und Konvektion)
niedrige Preise (einzelnes Induktionskochfeld mit 2 kW Leistung ca.
30 €)
Verbrennung (Chemie)




Eine Verbrennung ist eine Reduktions-Oxidations-Reaktion (kurz:
Redoxreaktion). Diese chemische Reaktion ist eine
Stoffumwandlung bei der Elektronen von einem Stoff auf den
anderen übertragen werden.
e-Aufnahme (Reduktion)
e-Abgabe (Oxidation)
Voraussetzung für Verbrennung
Brennbares Material
Oxidationsmittel (meist Sauerstoff)
Wärme (Zündtemperatur)
Die Flamme

Die Flamme selbst ist eine dünne Schicht aus Gas, in der heftige
chemische Reaktionen stattfinden. Meist ist
dieser Bereich heiß genug um im sichtbaren
Bereich zu strahlen. Selbst weißglühendes
Gas ist nicht im Plasmazustand, weil es nicht
heiß genug ist, um ausreichend ionisiert zu
sein.

Feuer kann als kaltes, partielles Plasma
betrachtet werden.
Wir danken
für eure
(vorgetäuschte)
Aufmerksamkeit!