Wärmelehre
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Wärmelehre oder die Kunst, Punkte dazu zu bringen, Maschinen zu bewegen Die Wärmebewegung von Molekülen & Atomen konnten Physiker erst mit dem Feldelektronenmikroskop sichtbar machen. Dennoch sprach man bereits viel früher von der Wärmebewegung und integrierte sie in ein Modell. Dabei versuchte man, Alltagserscheinungen als Grundlage heranzuziehen. Die thermische Bewegung erklärt z.B. die Diffusion bzw. Osmose. Ohne thermische Bewegung wäre auf Grund der Schwerkraft die Atemlufthülle eine kompakte Schicht von knapp 20m! Die Anomalie des Wassers Die Anomalie des Wassers Beim Schmelzen geht die Ausrichtung der Wassermoleküle verloren und sie dringen in die Hohlräume der Eisstruktur. Nach dem geringsten Volumen bei 4°C steigt der Raumbedarf der Moleküle auf Grund ihrer thermischen Bewegung. Nun sollten wir bereits wissen: Modelle lieferten bereits mehrmals die Grundlage zum Verständnis und zur (technischen) Handhabung der Natur, so auch Das Modell des „idealen Gases“ Idee: In Gasen reichen die Molekularkräfte nicht aus, um die Moleküle aneinander zu binden: sie füllen das Gefäß vollständig aus. Die Moleküle in Gasen sind weit voneinander entfernt. Zur Herleitung des Gasdrucks: Der Gasdruck als Funktion des Volumens Der Gasdruck als Funktion der Temperatur Der Gasdruck als Funktion der Temperatur Bei konstantem Volumen ist der Druck des idealen Gases proportional zur absoluten Temperatur. Im Unterschied zum idealen Gas nimmt beim realen beim Ausströmen die innere Energie ab, da sich dabei die Molekülabstände vergrößern und dabei Arbeit gegen die anziehenden Molekularkräfte verrichten. Dies entzieht den Gasteilchen Wärmebewegung => beim Ausströmen kühlt das Gas ein wenig ab („JouleThomson-Effekt“). Er wird beim Eiskasten ebenso wie zum Verflüssigen von Gasen benützt! Die Geschwindigkeit der Gasmoleküle Somit ist die mittlere Geschwindigkeit proportional der absoluten Temperatur und umgekehrt proportional der Gasmasse! Verdampfen Die Verdampfungswärme von Wasser ist jene Energie, die benötigt wird, um 1 kg siedendes Wasser bei normalem Luftdruck in Dampf umzuwandeln. Sie beträgt 2258 kJ Mit dieser Energie könnte man 539 kg Wasser um 1°C erwärmen bzw. 1kg auf 7650 km/h beschleunigen! Schmelzen Um 1 kg Eis zu schmelzen benötigt man die Energie von 334 kJ Damit könnte man 1kg Wasser 34 k m heben! Schmelzen und Sublimieren Luftfeuchtigkeit Die relative Feuchtigkeit ist der Quotient aus der vorhandenen Wasserdampfmenge zur bei der vorliegenden Temperatur max. möglichen Dampfmenge. Vgl. Sommer & Winter! Sie beeinflusst neben der Befindlichkeit z.B. auch die Dämpfung verschiedener Frequenzen von Schall in Konzertsälen. Luftfeuchtigkeit Was wir jetzt wissen sollen: Auch er ist nicht als Meister vom Himmel gefallen! Wärme und Energie als Grundlage der Wärmekraftmaschinen Wärme und Energie Wärme und Energie Wärme und Energie Wärme und Energie Um 1kg Wasser um 1°C zu erwärmen, benötigt man 4187 kJ (früher = 1 kcal). Damit könnte man 1kg Wasser um 472 m heben bzw. auf 300 km/h beschleunigen. Die spezifische Wärme, also jene Energie, die nötig ist, um 1 kg um 1 °C zu erwärmen, ist bei Wasser besonders groß! Beim Heizen und Warmwasser ist Energiesparen bes. angesagt! Wärme und Energie – Verbrennung und Heizwert Wärme und Energie – Verbrennung und Heizwert Neben dem „Verbrennen“ der Nahrung ist der Heizwert unterschiedlicher Stoffe für uns Menschen bei Haushalt und Technik von großer Bedeutung. Heizwert: Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Substanz abgegeben wird. Die Erfahrung zeigt: … aber (wie) kann man das physikalisch begründen ? Wieder setzen wir bei der Erfahrung an: Es gibt in unserem physikalischen Modell umkehrbare (reversible, z.B. elastische Stöße) und unumkehrbare (irreversible, z.B. Deformationen) Prozesse. Wie verhalten sich Gasteilchen in Gefäßen? Boltzmann argumentierte mit statistischen Überlegungen: Folglich: Folglich: Clausius fand, dass die Gesamtenergie (der Welt) konstant bleibt, die Entropie („Unordnung“) jedoch einem Maximum zustrebt. WÄRMEKRAFTMASCHINEN Überlege die Konsequenzen folgender Blitzlichter: Die industrielle Revolution wurde erst durch Verwendung von Maschinen an Stelle menschlicher Arbeitskraft möglich. Die körperliche Arbeitskraft verlor an Bedeutung. Maschinen sind schneller als Menschen und werden nicht krank. Maschinen verschmutzen die Welt. Überlege die Konsequenzen folgender Blitzlichter: Maschinen wehren sich nicht. Maschinen verwenden vor Millionen Jahren entstandene Energieressourcen. Maschinen sind schneller als Menschen und werden nicht krank. Maschinen verschmutzen die Welt. Die ersten (in englischen Kohle-Bergwerken) zur Förderung eingesetzten Dampfmaschinen hatten den Ruf, für ihren Betrieb fast so viel Kohle zu verbrauchen wie sie zu Tage brachten. Wohl genug Gründe, die physikalischen Grundlagen und prinzipiellen Einschränkungen zu hinterfragen ! James Watt erfand ein Gerät, um die Druckkurve einer Dampfmaschine aufzuzeichnen und dadurch zu optimieren. Der Viertaktmotor Der Viertaktmotor Der Viertaktmotor Der Viertaktmotor Der Raketenmotor Der Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad Kältemaschinen / Wärmepumpen Kältemaschinen / Wärmepumpen Kältemaschinen / Wärmepumpen Kältemaschinen / Wärmepumpen Damit ist bestenfalls die Wärmemenge transportierbar. Tieftemperaturphysik Tieftemperaturphysik Kontrollfragen Kontrollfragen Die Abbildungen wurden den MGW-Physikbüchern entnommen. Tippfehler vorbehalten!
