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“
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