V07 Wärme
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Die Physik der Wärme 1. Die Dampfmaschine und der Beginn des industriellen Zeitalters 2. Temperatur 3. Wärme: Substanz oder Energie? 4. Benjamin Thompson – Leben und Persönlichkeit 5. Die Erhaltung der Energie 6. Robert Mayer – Leben und Persönlichkeit 7. Umwandlung von Wärme in Arbeit – Wirkungsgrad 8. Hermann von Helmholtz – Leben und Persönlichkeit James Watt (1736 – 1819) Das Prinzip der Maschine von James Watt http://www.geocities.com/Athens/Acropolis/6914/wvae.htm Galilei Thermometer http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/zusatzaufgaben/01temperatur/galilei/galilie.htm Temperaturskalen Michael Fahrenheit (1686 – 1736): 1714 Antoine de Réaumur (1683 –1757): 1730 Anders Celsius (1701 –1744): 1742 Karl von Linné (1707 –1778) um 1750 Lord Kelvin (1824 – 1907) 1851 Wärmefluss in einer Aluminiumstange Flamme aus Flamme an Benjamin Thompson, später Graf Rumford (1753 – 1814) 1753 Geboren in Woburn, Massachusetts, USA Interesse an Naturwissenschaften, kein abgeschlossenes Studium 1775 Flucht nach England, Anstellung in der Kolonialverwaltung 1784 Kammerherr und Adjutant am bayerischen Hof, u.a. verantwortlich für das Arsenal 1798 Rückkehr nach England und Gründung der Royal Institution 1802 Übersiedlung nach Paris, wo er im Labor von Lavoisier wissenschaftlich arbeitete. Die Väter des mechanischen Wärmeäquivalents Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 – 1878) Der englische Bierbrauer James Joule (1818 -1889) Joulesche Apparatur zur Messung des mechanischen Wärmeäquivalents Thermometer Flügelrad Gewicht Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents Mechanische Arbeit bei k Umdrehungen: Kupferzylinder Wm = F·s = mG·g·s = mG·g·π·d ·k = (5 kg · 9,81 m/s2 ·3,14 ·0,047 m) · k Wm = k · 7,24 J Thermometer Dem Zylinder zugeführte Wärme: Kurbel Gewichtsstück Q = cZ·mZ·Δϑ = c·m·(ϑe – ϑa) = [0,091 cal/(g·K) · 657 g] ·Δϑ Q = Δϑ ·59,8 cal/K Erwärmung von Wasser mit einem Tauchsieder (Elektrisches Wärmeäquivalent) Experimenteller Aufbau Prinzip der Anordnung Beziehung zwischen zugeführter Energie Q und Temperaturerhöhung Δϑ : Q = c · m · Δϑ c ist die spezifische Wärme, m die Masse des erwärmten Körpers Robert Mayer (1814 – 1878) 1814 1832 1840 1841 1845 1850 1867 1871 Geboren in Heilbronn Studium der Medizin in Tübingen Schiffsarzt auf einer Fahrt nach Ostasien Erste Formulierung des Satzes von der „Erhaltung der Kraft“, von der Zeitschrift „Annalen der Physik“ abgelehnt Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents Suizidversuch, Aufenthalt in Heilanstalten In den Adelsstand erhoben Copley Medaille der Royal Society Robert Mayer und das mechanische Wärmeäquivalent Damit wird die Arbeit W = F Δs = p ΔV gegen den äußeren Luftdruck verrichtet. W = 1,013·105 N/m2 ·1 m2 ·1/273 m = 370 Nm 370 Nm entsprechen also 88,5 cal oder Spezifische Wärmen von Luft: cp = 0,240 cal/(g·K); cv = 0,1715 cal/(g·K) Bei Erwärmung von 1 m3 Luft von 0 °C um 1 K wird bei konstantem Druck die Wärme ΔQ mehr zugeführt als bei konstantem Volumen: ΔQ = ( cp – cV)·m·Δϑ = 0,0685 cal/(g·K) · 1,293 kg · 1 K = 88, 5 cal . 1 Nm = 1 J entspricht 0,239 cal 1 cal entspricht 4,19 J Carnotprozess Der Wirkungsgrad einer idealen Dampfmaschine Wirkungsgrad = gewonnene Arbeit/aufgewandte Wärmeenergie Idealer Wirkungsgrad η = (T1 –T2)/T1 T1 Temperatur des eingeführten heißen Dampfes T2 Temperatur des Kondensats Beispiel: T1 = 650 K (entspricht etwa 380°C) T2 = 350 K (entspricht etwa 80°C) η = 46 % Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) 1821 Geboren in Postdam Studium der Medizin 1847 Arbeit „Über die Erhaltung der Kraft“ 1849 Professur für Physiologie und Pathologie in Königsberg 1857 Lehrstuhl für Physiologie in Heidelberg 1870 Lehrstuhl für Physik in Berlin 1888 Direktor der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt Sadi Carnot (1796 – 1832) 1796 in Paris geboren 1812 Studium der Physik an der Ecole Polytechnique, danach Studium des MilitärIngenieurwesens an der Ecole du Genie 1819 Nach kurzer Militärzeit zog er sich in sein Privatleben zurück und beschäftigte sich mit naturwissenschaftlichen Fragen, insbesondere mit der Wirkungsweise von Dampfmaschinen 1824 „Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a dévelloper cette puissance“
