Wärme
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Freiwillige Feuerwehr Rosenheim Wärmelehre Hans Meyrl Stadt Rosenheim Sachgebiet III/323 Brand- und Katastrophenschutz, ILS Wärmelehre physikalische Grundlagen Inhalt Begriffe, Größen, Einheiten Physikalische Wirkungen der Wärme Gasgesetze Wärmeübertragung (Ausbreitung) kritischer Druck, kritische Temperatur Tripelpunkt Wärme / Temperatur Wärmelehre fußt auf den Gesetzmäßigkeiten der Mechanik Wärme / Temperatur sind nicht identisch Wärme ist eine Form der Energie Temperatur ist der Wärmezustand eines Stoffes Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie je Molekül Wärme Energieerhaltungssatz Erster Hauptsatz der Wärmelehre: Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert. Verschiedene Energieformen können sich demnach ineinander umwandeln, aber Energie kann weder aus dem Nichts erzeugt noch vernichtet werden. Wärme/Temperatur Wärme Eine spezielle Energieform wie z.B. elektrische Energie, mechanische Energie Maßeinheit d. Wärme: Joule Newtonmeter, Wattsekunde Abkürzung: J, Nm, Ws // 1 J = 1 Nm = 1 Ws Heizwerte werden auch in kWh angegeben 1 kWh = 3,6 x 106 J = 3600 kJ Wärme Spezifische Wärmekapazität c Wärmemenge Q [kJ], die nötig ist, um die Temperatur von 1 kg eines Stoffes um 1 Kelvin zu erhöhen. Q = c x m x ∆T Wasser: c = 4,2 kJ/(kg x K) m = Masse ∆T = Temperaturdifferenz Wärme Verbrennungswärme (früher oberer Heizwert) Sie gibt an, wieviel Wärmeenergie in den Brennstoffen bei vollständiger Verbrennung enthalten ist. Beinhaltet Wärmemenge zur Verdampfung des im Brennstoff enthaltenen Wassers. Heizwerte Technisch nutzbarer Wert Einheit J / kg, kJ / kg oder kJ / m³ Angabe auch in kWh 1 kWh = 3,6 x 106 J = 3600 kJ Wärme Heizwerte Holz Steinkohle Erdöl Methan PP, PE 17 000 kJ / kg 30 000 kJ / kg 41 000 kJ / kg 35 000 kJ / m³ 46 000 kJ / m³ VB. Nutzungsänderung bei Lagerhallen, Änderung der Brandlast Propan 93 000 kJ / m³ Glutfarben 400 oC erste farbliche Veränderung (Grauglut) 525 oC erste wahrnehmbare Dunkelrotglut 700 oC dunkle Rotglut 900 oC helle Rotglut 1100 oC Gelbglut 1300 oC beginnende Weißglut 1500 oC blendende Weißglut Wärme - Brennwertkessel Die Brennwerttechnik nutzt nicht nur die Wärme, die als messbare Temperatur der Heizgase bei der Verbrennung entsteht (Heizwert), sondern auch zusätzlich deren Wasserdampfgehalt (Brennwert). Wärme Erzeugung durch • • • • Verbrennung Reibung Chemische Reaktionen z. B. Sonne Physikalische Vorgänge z. B. Kernreaktion, Zustandsänderungen, Elektrizität (Brandursache) Temperatur - Kelvin Internationale Maßeinheit (SI) der Temperatur ist das Kelvin Abkürzung: K,[K] → Maßeinheit Formelzeichen: T Kelvin-Skala hat Nullpunkt bei tiefster theoreth. Temperatur (absoluter Nullpkt.) 0 °C = 273,15 K, 0 K = - 273,15 °C, 1 °C = 1 K Temperatur Temperatur – Grad Celsius Einzige physikalische Größe mit zwei Formelzeichen Gesetzliche Einheit (wie z. B. Grad Fahrenheit) Maßeinheit: Abkürzung: Grad Celsius [°C] → Maßeinheit Formelzeichen: t Ein Grad Celsius ist auf der Thermometerskala der hundertste Teil des Abstandes zwischen dem Gefrier- u. Siedepunkt des Wassers bei 1013 mbar Temperaturmessung Flüssigkeitsthermometer Bimetall-Thermometer Gasthermometer Widerstandsthermometer Thermoelement Segerkegel Physikalische Wirkungen der Wärme 1. Wärmeausdehnung: feste, flüssige und gasförmige Stoffe • Stahlträger mit 10 m Länge dehnt sich bei Erwärmung auf 700 °C um rund 9 cm aus • 60 Liter Tank dehnt sich bei ∆t von 35 °C um 2,1 Liter aus • Gase verdoppeln bei ∆T von 273 K ihr V Physikalische Wirkungen der Wärme 1. Wärmeausdehnung: Feste Stoffe ∆l = α x l0 x ∆T l0 ∆l α l0 ∆T Längenänderung Längenausdehnungskoeffizient Ausgangslänge Temperaturunterschied Wärmeausdehnung feste Stoffe Längenausdehnungskoeffizient α [1/K] Glas Eisen Aluminium Plexiglas Beton 3,0 x 10-6 12,1 x 10-6 23,8 x 10-6 85,0 x 10-6 12,0 x 10-6 Volumenausdehnungszahl fester Stoffe 3α Wärmeausdehnung feste Stoffe Beispiel Brücke Wärmeausdehnung feste Stoffe Beispiel: Ein Stahlträger von 10 m Länge dehnt sich bei Erwärmung um 700 °C um 9 cm aus. Wie groß ist α des Stahles? Wärmeausdehnung flüssige Stoffe dehnen sich stärker aus als feste Stoffe 60 Liter Tank dehnt sich bei ∆t von 35 °C um 2,1 Liter aus, Sprinklerkopf ∆V = V0 x γ x ∆T Volumenausdehnungskoeffizient γ Wärmeausdehnung flüssige Stoffe Volumenausdehnungskoeffizient γ [1/K] Wasser Olivenöl Petroleum Benzin 0,00021 0,00072 0,00096 0,00106 Anomalie des Wassers Alle Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus Ausnahme Wasser Anomalie des Wassers ? Im Temperaturbereich von 0 – 4 °C Größte Dichte bei +4 °C Anomalie des Wassers Anomalie des Wassers Wärmeausdehnung gasförmige Stoffe Alle idealen Gase dehnen sich bei gleich bleibendem Druck bei Erwärmung um ein Kelvin um 1/273 des Volumens aus, das sie bei 273 K (= 0°C) annehmen. γ = 1/ 273 1/ K Gase verdoppeln bei ∆T von 273 K ihr V !! ∆V = V0 x γ x ∆T Wärmeausdehnung gasförmige Stoffe 1 m³ Luft von 0 °C soll durch Erwärmung auf 2 m³ bei gleichem Druck ausgedehnt werden. Um wieviel °C muss man erwärmen? um 273 °C Gasgesetz jedes Gas lässt sich beschreiben durch: Druck p Volumen V Temperatur T Temperatur Maßeinheit: Pascal, bar 1 bar = 100.000 Pa 1 Pa = 1 N/m² Maßeinheit: m³ Maßeinheit: K Maßeinheit: °C Gasgesetz Gay - Lussac Gasgesetze Boyle – Mariotte Gasgesetze Gesetz von Amontons V = konstant Gasgesetze Allgemeine Gasgleichung p x V / T = konstant p1 x V1/ T1 = p2 x V2 / T2 Physikalische Wirkungen der Wärme 1. Wärmeausdehnung 2. Änderung des Aggregatzustandes durch Energiezufuhr/-abfuhr ändern sich die Aggregatszustände Die Temperatur bleibt konstant. 1 kg Eis v. 0 °C in Wasser v. 0 °C ~ 350 kJ 1 kg Wasser von 100 °C in Dampf von 100 °C ~ 2257 k J Physikalische Wirkungen der Wärme Physikalische Wirkungen der Wärme Physikalische Wirkungen der Wärme Schmelzwärme …ist die Wärme, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes zu schmelzen [J]. Verdampfungswärme … ist die Wärme, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen [J]. 1 kg Eis v. 0 °C in Wasser v. 0 °C ~ 335 kJ 1 kg Wasser v. 100 °C in Dampf v.- 100 °C ~ 2257 kJ Verdampfungswärme Berechnungsbeispiel Welche Wärmemenge wird benötigt, um 1 kg Eis von -10 °C auf Dampf von 110 °C zu erwärmen? Formel: Q = c x m x ∆T Wasser: c = 4,2 kJ/(kg x K) Eis: c = 2,1 kJ/(kg x K) 1 kg Eis v. 0 °C in Wasser v. 0 °C ~ 335 kJ 1 kg Wasser von 100 °C in Dampf von 100 °C ~ 2257 kJ Berechnungsbeispiel 1. Erwärmung von -10°C auf 0 °C Q = c x m x ∆T = 2,1 kJ/(kg x K) x 1 kg x 10 K = 21 kJ 2. Schmelzen von Eis 1 kg Eis v. 0 °C in Wasser v. 0 °C 335 kJ 3. Erwärmung von 0°C auf 100 °C Q = c x m x ∆T= 4,2 kJ/(kg x K) x 1 kg x 100 K = 420 kJ 4. Verdampfen von Wasser 2257 kJ 5. Erwärmung von 100°C auf 110 °C Q = c x m x ∆T= 2,1 kJ/(kg x K) x 1 kg x 10 K = 21 kJ Summe 3054 kJ Aggregatszustände Physikalische Wirkungen der Wärme 3. Änderung der Festigkeitswerte Bei Erwärmung ändert sich die Festigkeit (Druck- u. Zugfestigkeit, Elastizität) der festen Stoffe Stahl / Kunststoffe bei 500 °C nur noch die Hälfte seiner Tragfähigkei t bei 600 °C nur noch ein Drittel seiner Tragfähigke it Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmemitführung (Konvektion) Wärmestrahlung Sonstige • • • • Bei Naturbrand noch durch: Flugfeuer Brennendes Abfallen od. Abtropfen Fettexplosion Wärmeübertragung 1. Wärmeleitung Bei festen Stoffen, unbewegten flüssigen und gasförmigen Stoffen unmittelbar benachbarter Stoffteilchen Gute Wärmeleiter Metalle Schlechte Wärmeleiter: Holz, Glas, Luft Wärmeübertragung 1. Wärmeleitung Metalle Wärmeübertragung 1. Wärmeleitung Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeleitzahl λ Wärmemenge, die ein Körper von 1 m² Fläche und 1 m Dicke in 1 h bei einem Temperaturgefälle von 1 K von einer Seite zur anderen überträgt. Wichtig zur Berechnung des u-Wertes (früher k-Wert) Wärmeleitung Einbau eines neuen Ofens Wärmeübertragung 2. Wärmemitführung (Konvektion) Bei flüssigen und bewegten gasförmigen Stoffen Durch Ausdehnung geringer Dichte, d.h. die Stoffe werden leichter und steigen auf Beispiele: Heizung, Heizkörper unter Fenster, Brandgase Wärmeübertragung 3. Wärmestrahlung An kein Medium gebunden Elektromagnetische Strahlung Bsp. Sonnenstrahlung durch luftleeren Raum, Hitzeschutzanzug (saubere Oberfläche!) Auch im Vakuum möglich Auch gegen Wind (gefährlicher, da kein Rauch) Wärmeübertragung 3. Wärmestrahlung 3. Wärmestrahlung 3. Wärmestrahlung Beispiel: Strahlung Elektrosmog 3. Wärmestrahlung Reflexion Absorption Transmission Glas, Wasser !! Wärmeübertragung Wärmestrahlung - Thermografie Wärmeübertragung Wärmestrahlung - Wärmebildkamera Wärmeübertragung Wärmestrahlung Schlussfolgerungen für die Fw VB: Keine Stahlträger durch Wände, RWA, Abstandsflächen, helle Wände bei gegenüberliegenden Flächen AB: Reflektierende Hitzeschutzkleidung, helle Fläche, Kühlung von Wärmestrahlung ausgesetzten Flächen, Öffnen von Fenstern im Dachbereich Hydroschild und Mannschutzbrause bedingt Wärmeübertragung Wärmestau Bei Wärmestau muß mehr Wärme erzeugt werden als verbraucht oder abgeführt wird. Wenn Wärmeleitung unterbunden ist Beispiele - Voraussetzung bei Selbstzündung (Heu) - Eingebauter Fernseher Van´t Hoffsche Regel Verflüssigung von Gasen Gas mit Zustandsgrößen p, V, T Verflüssigung heißt: V des Gases wird verringert 2 Möglichkeiten zur Volumenverringerung Abkühlung Druckerhöhung Voraussetzung: p und T müssen passen !! Kritischer Druck + Temperatur Hohe Gastemperaturen vergrößern die Partikelbewegung derart, dass auch durch höchste Drücke Gase nicht verflüssigt werden können. Die Temperatur, bei der dieser Zustand eintritt, die kritische Temperatur, ist für jedes Gas spezifisch. Der Druck, der kurz unterhalb der kritischen Temperatur zur Verflüssigung des Gases führt, ist sein kritischer Druck. Kritischer Druck + Temperatur Folgerung: Eine Verflüssigung ist nur unterhalb der kritischen Temperatur möglich. Tripelpunkt In der Thermodynamik ist der Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) der Punkt, beschrieben durch Druck und Temperatur, an dem drei Phasen eines Systems im Gleichgewicht sind. Tripelpunkt
