Die Wärme­lehre: Aggre­gat­zu­stände, Wärme­kraft­ma­schi­nen, Wärme­aus­brei­tung

Die Wärmelehre

Inhalt

1. Aggregatzustände. 2

2. Wärmekraftmaschinen. 5

3. Wärmeausbreitung. 8

1. Aggregatzustände:

Änderung der Aggregatzustände:

-       durch Temperatur
Durch die Erwärmung schwingen die Teilchen schneller à die Kohäsionskräfte werden überwunden.
Fest: Starke Kohäsionskräfte
Flüssig: schwache Kohäsionskräfte, Teilchen schwingen stärker
Gasförmig: Ekin der Teilchen nimmt zu à überwinden Kohäsionskräfte à Teilchen reißen sich los

-       durch Druck
(Bsp.: Flüssiggaslagerung: es braucht dicke Stahlflaschen, die dem Druck standhalten; Schnellkochtopf; Eislaufen und Schifahren à Kufe/Schi übt großen Druck auf Eis aus, deshalb wird das Eis flüssig, und man kann sich bewegen)

Spezifische Wärme

= Wärmemenge, die nötig ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erhitzen.

Wasser hat eine relativ hohe spezifische Wärme

-       Wasser ist ein gutes Kühlmittel. Es kann viel Wärme aufnehmen, ohne dass es selber viel wärmer wird.

-       Wasser ist ein guter Wärmespeicher (wird z.B. beim Heizkörper oder Wärmeflasche genutzt)

-       Wasser hat eine wichtige Funktion fürs Klima: Regen

Schmelzwärme

= die Wärme, die erforderlich ist, um ein kg eines Stoffes zu schmelzen, wenn die Schmelztemperatur bereits erreicht ist.

Verdampfungswärme

= die Wärme, die erforderlich ist, um ein kg eines Stoffes zu verdampfen, wenn die Siedetemperatur bereits erreicht ist.

Kompressorkühlschrank

Verdampfer:

Flüssigkeit (Kühlmittel) verdampft à entzieht im Innenraum des Kühlschrankes Verdampfungswärme.

Kondensator:

Das Kühlmittel wird durch Kompressionen verflüssigt à Kondensationswärme wird durch die Kühlrippen an die Umgebung abgegeben.

Kältemittel: z.B. Ammoniak, Kohlenwasserstoffe,… (müssen niedrigen Siedepunkt haben à -100 °C bis 25 °C)

2. Wärmekraftmaschinen

z.B. Motoren

Wärmeenergie wird in Bewegungsenergie umgewandelt.

Arbeitsauftrag: Wärmekraftmaschinen

1. Beschreibe die 4 Takte des Viertaktmotors:

1. Takt (Ansaugen): Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser in den Zylinder.

2. Takt (Verdichten): Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen.

3. Takt (Arbeiten): Der Funke einer Zündkerze entzündet das Gasgemisch. Es verbrennt explosionsartig, der Kolben wird nach unten gedrückt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.

4. Takt (Ausstoßen): Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

2. Aufgaben der Bestandteile eines Motors:

-       Vergaser: Erzeugung des Benzin-Luftgemisches.

-       Zündkerze: löst den Arbeitstakt aus. Ein elektrischer Funken wird erzeugt, das Ganze erhitzt sich und dehnt sich aus.

-       Die Pleuelstange: überträgt Energie (Bewegungsarbeit) auf die Kurbelwelle)

-       DieKurbelwelle überträgt die Energie auf das Getriebe à das führt zu der Drehbewegung

-       Einlassventil: lässt das Benzin-Luftgemisch in den Zylinder

-       Auslassventil: entlässt die Verbrennungsgase aus dem Kolben

3. Hauptunterschiede zwischen einem Viertaktmotor und einem Dieselmotor:

Dieselmotor:

1. Takt (Ansaugen): Es wird reine Luft angesaugt.

2. Takt (Verdichten): Die Luft wird so stark komprimiert, dass sie sich dabei auf ca. 700°C erhitzt.

3. Takt (Arbeiten): Dieselöl wird direkt in die heiße Luft eingespritzt und entzündet sich sofort selbst (es gibt keine Zündkerze)

4. Takt (Ausstoßen): wie Ottomotor

Wirkungsgrad beim Dieselmotor ist besser als beim Benzinmotor à man braucht weniger Treibstoff
Wirkungsgrad vom Ottomotor: 20-35 %
Wirkungsgrad vom Dieselmotor: 30-38 %

4. Erfinder der Motoren:

Erfinder des Viertakt-Ottomotor: Nikolaus August Otto (1832 bis 1891)

Erfinder des Dieselmotors: Rudolf Diesel (1858 bis 1913)

Motoren

Zylinderanzahl: normale PKW’s haben 4-12 Zylinder, Rennautos 16 Zylinder

Je mehr Zylinder, desto ruhiger läuft der Motor.

Hubraum: gibt das Volumen an, das sich zwischen dem Kolben im Zylinder befindet.

Je größer der Hubraum, desto höher die Leistung des Motors.

Hubraum bei normalen Autos: ca. 1 Liter, bei Rennautos bis zu 3 Liter

Oktanzahl: Maß für die Klopffestigkeit des Treibstoffes

ROZ 91 à normal Benzin

ROZ 95 à Super

ROZ 98 à Super plus

(ROZ = Research Oktanzahl)

Wenn man zu niedrige Oktanzahl verwendet, klopft es im Motor.

Zweitaktmotor: siehe Arbeitsblatt

3. Wärmeausbreitung

3 Arten:

Wärmeströmungà die Teilchen verlassen ihren Platz und steigen hinauf (warme Luft steigt auf) (z.B.: Heizung, Wetter)

Wärmeleitungà die Teilchen schwingen stärker, die benachbarten Teilchen werden dadurch auch in Schwingung versetzt, die Teilchen verändern den Platz aber nicht (z.B.: in Metallen)

Wärmestrahlungà Infrarotstrahlung, elektromagnetische Wellen, die abgegeben werden (z.B.: Glühbirne, Sonne)

a) Die Wärmeleitung

Wärmeleitung erfolgt immer von Bereichen mit hoher Temperatur zu Bereichen mit niedriger Temperatur.

Verschiedene Stoffe zeigen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit:

Schlechte Wärmeleiter à genau umgekehrt (Bsp. Holz, Plastik, Glas, Wasser, Luft,…)

Schlechte Wärmeleiter werden als Isolatoren verwendet (Bsp.: Doppelfenster, dazwischen befindet sich Luft à Luft und Glas sind gute Isolatoren; Hohlziegel à in den Hohlräumen ist Luft à isolierende Wirkung; Glasfasern; Baumwolle à besteht aus Fasern, zwischen den Fasern ist auch Luft)

K-Wert (U-Wert) gibt an, wie viel Wärme durchgelassen wird à es wird berechnet, wie viel Wärmeenergie durch ein Bauteil verloren geht.

Ein Meter Betonwand hat die gleiche isolierende Wirkung wie 8 cm Holz oder 25 cm Ziegel.

Arbeitsblatt: Seehunde sind gut „isoliert“

1.   Welche Möglichkeiten haben Säugetiere, ihren Wärmeverlust zu minimieren? Wie helfen sich Seehunde?
Fettschicht und Fell

3.   Wie reguliert der Seehund seine Köpertemperatur bzw. wie verhindert er einen Hitzestau (ABB3)?
Wenn es kalt ist, werden die Oberflächennahen Blutgefäße nicht stark durchblutet. An Land wenn es warm ist werden auch die Oberflächennahen Blutgefäße durchblutet. Wenn er die Wärme nicht abgeben könnte, würde es zu einem Hitzestau führen.

 

4.   Warum kommen Fische ohne Fettschicht aus?
Weil sie Kaltblüter sind (sie müssen keine konstante Körpertemperatur halten).

K-Wert Berechnung:

[k] (Kelvin) = W/m²*K

Ergebnis à große Zahl (große Verluste), kleine Zahl (kleine Verluste)

b) Wärmeströmung

Die Teilchen bewegen sich weg von ihrem ursprünglichen Platz à es kommt zu einem Transport von Materie.

Warme Luft ist leichter à warme Flüssigkeiten oder Gase steigen auf

Wasser wird erhitzt, warmes Wasser steigt auf und gibt die Wärmeenergie ab.

Heizkörper sollten nicht in der Nähe von Fenstern stehen. Man sollten keine Vorhänge über der Heizung haben.

c) Wärmestrahlung

Unterschied zwischen Wärmeströmung, Wärmeleitung zu Wärmestrahlung: Wärmestrahlung braucht kein Medium zum Transport (keine Materie à kann sich auch im Vakuum ausbreiten)

Wärmestrahlen à elektromagnetische Wellen

Wellenlänge à Infrarotstrahlung (länger als die Strahlen des sichtbaren Lichtes)

Dunkle raue Körper nehmen die Strahlung mehr auf wie helle flache Oberflächen (z.B. schwarze Kleidung im Sommer,…)

Verminderung des Wärmeverlustes durch verspiegelte Oberflächen (die Wärmestrahlung wird zurückgehalten): z.B. Alufolie hinter der Heizung, Essen in Alufolie einpacken und nicht in anderes Papier, Thermoskanne

Die Kräfte der Natur (Film)

   1.        Vor welcher Zeit und wie entstand unser Sonnensystem?
vor ca. 4,5 Milliarden Jahren
riesige Staubwolke verdichtete sich immer mehr à Druck wurde zu groß à sie explodierte (Urknall)

   2.        Wie unterscheiden sich Kometen von Asteroiden?
Kometen à bestehen hauptsächlich aus Eis
Asteroiden à bestehen aus Steinen (Felsblöcken)

   3.        Wie entsteht der Regen im Regenwald?
am Äquator verdunstet sehr viel Wasser, feuchte Luft steigt auf, es kommt zur Abkühlung der Luft, sie kann nicht mehr so viel Feuchtigkeit halten, es kommt zu Regen

   4.        Wie bzw. wo entstehen Wüsten?
trockene Luft kommt wieder auf den Boden zurück, gibt keine Luftfeuchtigkeit mehr ab, deshalb gibt es diese Trockengebiete
auf beiden Seiten des Regenwaldes

   5.        Wie heißen die Luftmassen, die auf der Erdoberfläche in Richtung Äquator zurückfließen?
Passat-Winde, sie verursachen den Niederschlag auf Hawaii

   7.        Wie entstehen die gefürchteten Nebelbänke auf dem Meer um Neufundland?
Grenze von Golfstrom und Labradorstrom (sie treffen aufeinander), durch die Kälte entsteht Nebel à Kondensation

   8.        Wie entsteht ein Atlantik-Tief?
wenn warme Luftmassen auf kalte Luftmassen treffen, steigt die warme Luft in die Höhe à die Luftmassen sind feucht und ziehen Richtung Europa

   9.        Warum dauert ein Flug von Amerika nach Europa kürzer als in die umgekehrte Richtung?
wegen den Jetstreams (Windströmungen in ca. 10 000 m Höhe à durch die Rotation der Erde)

10.        Wieunterscheiden sich Hurrikans von Tornados?
Hurrikans à bilden sich über dem offenen Meer; größer als Tornados
Tornados à entstehen über dem Land; kleiner als Hurrikans, aber höhere Geschwindigkeiten

Meteorologie

Schichten von unten nach oben:

-       Troposphäre: 0 bis 12 km; Temperatur nimmt nach oben hin ab (alle 100 m ein Grad Celsius); Wettergeschehen

-       Stratosphäre: 12 bis 50 km Höhe; Temperatur nimmt nach oben hin zu; hier befindet sich die Ozonschicht (Ozonschicht absorbiert UV-Strahlung)

-       Mesosphäre: 50 bis 80 km; Temperatur nimmt wieder ab

-       Thermosphäre: 80 bis 480 km Temperatur nimmt wieder zu

-       Ionosphäre: alles ist ionisiert

2. Wetterelemente:

a)   Temperatur à über dem Land sind höhere Temperaturschwankungen, weil es sich schneller erwärmt und abkühlt (Spezifische Wärmekapazität)

b)   Luftfeuchtigkeità (Luftsättigung) hängt von der Temperatur ab (je wärmer es ist, umso mehr Feuchtigkeit kann die Luft aufnehmen; man spricht von Sättigung, wenn keine Feuchtigkeit mehr aufgenommen werden kann
Absolute Luftfeuchtigkeit (in g/m³)
Relative Luftfeuchtigkeit (in %) à wird mit einem Hydrometer (bzw. einem Haar) gemessen;
     100 % relative Luftfeuchtigkeit = Luft ist gesättigt
     100 bis 80 % relative LF = schwül
     80 bis 60 % relative LF = angenehm
     unter 60 % LF = trocken

Luftdruck wird durch den Gewichtsdruck der Luft verursacht

Dichte der Luft: 1,29 kg/m³

Dichte = Masse/Volumen

Masse = Dichte * Volumen

Die Masse führt zu einem Druck.

In den Bergen ist ein geringerer Druck, weil sich weniger Luft über einem befindet.

Blatt: Luftdruck

Wie kommen unterschiedliche Luftdruckgebiete zustande?

Es kommt zu unterschiedlicher Erwärmung von verschiedenen Orten. Dort, wo es warm wird, steigt die Luft auf à Tiefdruck

Wind

Wind ist ein Druckausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebiet (Richtung: von Hochdruck zu Tiefdruck)

Je größer der Druckunterschied ist, desto stärker weht der Wind.

Messgerät: Anemometer

Zwischen Land und See gibt es am meisten Wind (Land erwärmt sich schneller als Wasser à große Temperaturunterschiede) à siehe Zeichnung

Land-See-Windzirkulation

Weitere Beispiele für solche Windentstehungen (andere Fallwinde):

Föhn, Bora (Kroatien), Mistral (Südfrankreich), Schirokko (Nordafrika)