9. Thermodynamik - physik.fh
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Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9. Thermodynamik • 9.5 Wärmetransport • 9.5.1 Wärmeleitung • 9.5.2 Konvektion • 9.5.3 Wärmestrahlung • 9.5.4 Der Treibhauseffekt Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9.5 Wärmetransport Man unterscheidet: Wärmeleitung Konvektion Strahlung Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen Wärmeübertragung durch Stofftransport Emission/Absorption elektromagnetischer Strahlung Wärmeleitung Animation λ Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9.5.1 Wärmeleitung ist Konsequenz der kinetischen Energie - Am heißen Ende schwingen Atome/Moleküle schneller - Durch Stöße wird Energie auf kalte Atome übertragen - Kalte Atome werden wärmer, T gleicht sich an. Wärme dQ, die in Zeit dT übertragen wird = Wärmestrom H A: Fläche (TH – TK)/d : Temperaturgradient λ: Wärmeleitfähigkeit Allgemein gilt: mit Wärmeleitwiderstand Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 409 Beispiel: Eine Holztür soll in eine Betonwand (d=25cm) eingebaut werden. Welche Dicke muss die Holztür haben, damit der Wärmeverlust gleich bleibt? Mit: Gilt: Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker 9.5.2 Konvektion = Wärmetransport durch Massentransport Beispiele: Heißwassersystem, Kühlsystem eines Motors, Blutkreislauf Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker 9.5.3 Wärmestrahlung = Temperaturstrahlung = elektromagnetische Strahlung, die thermisch erzeugt wird. Ursache ist Temperatur des strahlenden Mediums Zur quantitativen Beschreibung: Schwarzer Strahler - absorbiert vollständig auftreffende Fremdstrahlung Absorptionsgrad α = 1 - hat maximale Strahlungsleistung (Energiestrom, Strahlungsfluss) - erzeugte Strahlung hängt nur von Temperatur ab, nicht von Oberflächenbeschaffenheit - kann durch Hohlraumstrahler praktisch realisiert werden Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Für Strahlungsdichte = Strahlungsleistung pro Wellenlängeneinheit in Halbraum emittierte Strahlung gilt: k = 1,38 x 10-23 J/K (Boltzmannkonstante) h = 6,6262 x 10-34 Js Planck‘sches Wirkungsquantum Strahlungsdichte für A = 1m2 - Spektrum ist kontinuierlich - für am stärksten abgestrahlte Leistung gilt: Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Für die gesamte abgestrahlte Leistung gilt: Stefan-Boltzmann-Gesetz Mit: Beispiel: Oberfläche der Haut eines menschlichen Körpers A=1,2 m2 Oberflächentemperatur der Haut ϑO = 30oC, Umgebungstemperatur ϑU = 20oC. Wie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung? (Hinweis: Mensch = schwarzer Körper) Aber! Es gibt ebenfalls Absorption der Umgebungsstrahlung !!! Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Beispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Aufgabe eines Kühlkörpers - Wegleiten von Verlustwärme vom Bauelement - Abgabe der Wärme durch - Wärmestrahlung und - Konvektion an die Umgebung Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Der Treibhauseffekt Frage: Warum ist Erde so warm? <ϑE> = 15oC Frage: Wird Erde wärmer? Folgende Effekte spielen eine Rolle: - Sonnenlicht liefert Strahlungsleistung ΦS Erde wird warm - Aufgeheizte Erde gibt Strahlungsleistung ab gemäß Im Gleichgewicht (und im Mittel) gilt: T = konstant Mittlere empfangene Strahlungsleistung ( mittlerer Abstand Erde-Sonne) Solarkonstante S = 1353 W/m2 Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Von der Erde absorbierte Strahlungsleistung r = Reflexionsgrad = 30 % Erde emittiert über die gesamte Oberfläche Im Gleichgewicht gilt: Berechnung der Erdtemperatur möglich TE = 254 K = - 18oC Frage: Warum ist <ϑ> = + 15oC !!!!!!!!! ???????? Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik Antwort: Es gibt natürlichen Treibhauseffekt Es gilt: - Erdatmosphäre für ankommende Wärmestrahlung nahezu vollständig durchlässig - Erdatmosphäre (N2, O2) für Wärmestrahlung nahezu vollständig durchlässig Aber! Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung! CO2 H2O O3, N2O4, CH4 0,03 Vol % liefert liefert liefern + 7oC + 21oC + 5 oC Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen
