Ausgewählte Kapitel der Physik

Ausgewählte Kapitel der Physik
Wärme
27.06.2012
AKP10_3
Wärme
Die Wärmelehre fußt auf den Gesetzen der Mechanik.
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Es ist zu unterscheiden zwischen dem Wärmezustand, angegeben als
Temperatur eines Körpers (in °C) und
Der Wärmeenergie des Körpers, gemessen in Energieeinheiten (in Joule)
Zu den Fotos: im Winterbild oben ist die Temperatur niedriger als in der
Flamme unten, trotzdem steckt oben viel mehr Wärme-Energie drinnen als
in der Flamme.
Temperatur:
Die Temperatur ist eine Messgröße für die mittlere Bewegungsenergie eines
Atoms .
Im festen Körper ist dies die Schwingungsenergie der Atome um ihre
Gleichgewichtslage, die potenzielle und kinetische Energie in drei
Richtungen.
In der Flüssigkeit schwingen die Atome ebenfalls, sie stoßen sich gegenseitig.
Im Gas bewegen sich die Atome und Moleküle mit großen Geschwindigkeiten
( im Mittel etwa 1000m/s) da die freien Weglängen größer sind, außerdem
können Sie rotieren und wie Federn vibrieren.
Diese Art der Darstellung von Wärme nennt man „Kinetische Wärmetheorie“
27.06.2012
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Wärme
Viele Eigenschaften eines Körpers hängen von der Temperatur ab und daher können diese Eigenschaften zum
Anzeigen und Messen der Temperatur verwendet werden:
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Das Volumen der Körper und damit sämtliche Abmessungen nehmen in der Regel mit steigender
Temperatur zu.
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Der feste Zustand eines Stoffes hat tiefere Temperatur als der flüssige und gasförmige.
Umwandlungspunkte fixieren Temperaturskalen.
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Der elektrische Widerstand der Metalle steigt mit der Temperatur, bei Halbleitern kann er auch sinken.
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Die ausgesandte elektromagnetische Strahlung (jeder Körper strahlt !) wird mit zunehmender Temperatur
kurzwelliger. Farbänderungen werden beobachtet.
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Die Thermospannung steigt mit zunehmendem Temperaturunterschied.
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Die meisten tabellierten Material -Konstanten sind von der Temperatur her gesehen keine Konstanten, man
muss sie immer zusammen mit einer Bezugstemperatur angeben:
Spezifisches Volumen, Dichte, Schallgeschwindigkeit, Ausdehnungskoeffizienten, elektrische Koeffizienten, und
viele andere Größen der Physik. ( Praktisch nicht betroffen sind davon die Vorgänge in den Atomkernen,
deren Energiepotential nämlich um viele Größenordnungen darüber liegt)
27.06.2012
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Wärme
Temperaturmessung:
Die Temperatur ist eine der sieben Basisgrößen des internationalen Einheitensystems.
Die Einheit ist das Kelvin:
T … absolute Temperatur , [ T ] = 1Kelvin = 1K
Die Temperaturskala beginnt bei 0K = absoluter Nullpunkt, die Skalenteilung wurde so gewählt, dass sie
mit der Celsiusskala ( Teilung 1K = 1°C ) zusammenpasst.
Neben dem Kelvin sind auch °C oder °F gesetzlich erlaubte Temperaturskalen.
 … Celsiustemperatur, [] = 1°C
Bestimmte thermische Fixpunkte werden zur Verankerung der Skalen bzw. zur
Kalibrierung von Messgeräten benötigt:
Z. B.: Schmelzpunkte, Siedepunkte und Umwandlungspunkten von reinen
Substanzen unter definierten Bedingungen. (Luftdruck,..).
Ein Tripelpunkt ist diejenige Temperatur, bei der alle drei
Aggregatszustände ( fest, flüssig, gasförmig) nebeneinander vorliegen.
Solche Fixpunkte werden bevorzugt.
Für Wasser liegt er bei  = +0,01°C bei p= 6,1 mbar
Der absolute Nullpunkt T= 0K liegt bei  = - 273,15°C
Die Umrechnung erfolgt daher mit T = (  /°C + 273,15) K
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Wärme
Temperaturmessung durch:
Volumensänderung von Gasen
Druckänderung von Gasen
Gasdruckthermometer
Für ideale Gase gilt das Gasgesetz:
p * V = m * Rs*T
Um Gasart-unabhängig zu werden, wird die Gleichung nicht mehr auf
die Masse, sondern auf gleiche Anzahl von Atomen, auf das mol
bezogen.
Mit m = Anzahl n der Mole mal Molmasse M : m = n *M und M * Rs
= R folgt
p*V=n*R*T
mit der allgemeinen Gaskonstante R= 8,315 J/mol/K
Für reale Gas wird eine Volumens- und Druckkorrektur angebracht:
(p + a*m²/V²)*(V - b*m) = m *Rs*T
p….. Druck in Pa = 1N/m²
V…. Volumen in m³
m…..Masse in kg
Rs Gas-spezifische Konstante J/kg/K
T…. Temperatur in K
„Van der Waals“-Zustandsgleichung“ , a und b sind die Van der Waals-Konstanten
Gas-Konstante Rs
Normalbedingungen sind
p0 =101325 Pa und T0= 273,15 K .
Ein Mol besitzt das Molvolumen V0= 22,414 dm³
Ein Mol sind NA = 6,022*1023 Teilchen,
ein Mol wiegt soviel, wie die Molekularmasse in Gramm angibt.
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Helium
Luft
Sauerstoff
Stickstoff
Wasserstoff
2167
289
270
297
4129
inJ/kg/K
| spez. Masse
in kg/m³
| (bei =°C und 1013,25 mbar)
|0,1785
|1,293
|1,429
|1,2503
|0,08988
Wärme
Beispiel zum Gas:
Der Herstellen von
Ballongas für Luftballone
gibt an:
Eine Gasflasche enthält
50 Liter He unter
200bar bei 25°C.
Wie viele Normal-Liter
sind dies? Welches
Volumen kann man der
Flasche entnehmen und
in Ballons abfüllen?
Wie schwer ist das Gas?
.
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Wärme
Temperaturmessung:
Bitte entnehmen Sie dem Skriptum Temperatursensor (v5b) die Unterpunkte:
Metallische Sensoren ( PT100)
Halbleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten (KTY10 von Siemens)
Halbleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten
Temperaturabhängigkeit der Flussspannung des pn-Übergangs (Transistor)
Thermoelemente,
Strahlung des Schwarzen Körpers, Strahlungspyrometer
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Wärme
Wärmequellen und Wärmetransport
Bitte entnehmen Sie meinem Skriptum „Halbleiterherstellung“ die Unterpunkte:
3.
Erwärmung und Kühlung (Seite 14/20 – 20/20)
Zuverlässigkeit und Lebensdauer (von Halbleiterbauelementen)
Wärmeleitung im festen Körper
Wärmeübergang vom Kühlkörper in die Luft ( Konvektion)
Wärmestrahlung
Wärmeableitung bei Widerständen
Wärmewiderstand bei Großkühlkörpern
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Kühlkörperauslegung
Wärme
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Die Wärme entsteht am pn-Übergang (junction, j)
Die Wärmeenergie fließt ab dE/dt = Pv (Wärmeverlustleistung)
Erstes Hindernis ist der Übergang vom Chip auf die Grundplatte
weiter durch die Trägerplatte (Wärmeleitung, Wärmewiderstand)
Übergang auf das Gehäuse
Widerstand durch das Gehäuse
Wärmeübergang Gehäuse auf Kühlkörper (ev. mit Isolierscheibe)
Wärmeleitung im Kühlkörper
Wärmeübergang an die Umgebungsluft (ambient, amb )
Vielfach scheitert eine genaue Berechnung an den fehlenden
Daten für die Übergänge, die Abmessungen und eingesetzten
Materialien.
Die Entwickler beschaffen sich diese Daten vom Hersteller oder
gehen mit Erfahrungswerten in die Berechnung.
Es gilt das „Ohmsche Gesetz“ der Wärmeleitung:
(j – amb) = Pv * S Rth
Rth…Widerstand von Übergang und Leitung
Mitunter kann man auch mit RthJG ( Widerstand vom Chip aufs Gehäuse)
mit RthGK ((Übergangswiderstand Gehäuse-Kühlkörper) und dem Widerstand
vom Kühlkörper zur Luft das Auslangen finden.
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