9. Thermodynamik - · PDF file 9. Thermodynamik Doris Samm FH Aachen Physik für...

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  • 9. Thermodynamik

    Doris Samm FH Aachen

    Physik für E-Techniker

    9. Thermodynamik

    • 9.5 Wärmetransport

    • 9.5.1 Wärmeleitung

    • 9.5.2 Konvektion

    • 9.5.3 Wärmestrahlung

    • 9.5.4 Der Treibhauseffekt

  • 9. Thermodynamik

    Doris Samm FH Aachen

    Physik für E-Techniker

    9.5 Wärmetransport Man unterscheidet:

    Wärmeleitung Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen

    Konvektion Wärmeübertragung durch Stofftransport Strahlung Emission/Absorption elektromagnetischer

    Strahlung

    Wärmeleitung

    λAnimation

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    Physik für E-Techniker

    9.5.1 Wärmeleitung ist Konsequenz der kinetischen Energie

    - Am heißen Ende schwingen Atome/Moleküle schneller - Durch Stöße wird Energie auf kalte Atome übertragen - Kalte Atome werden wärmer, T gleicht sich an.

    A: Fläche (TH – TK)/d : Temperaturgradient λ: Wärmeleitfähigkeit

    Wärme dQ, die in Zeit dT übertragen wird = Wärmestrom H

    Allgemein gilt: mit Wärmeleitwiderstand

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    Physik für E-Techniker

    Beispiel: Eine Holztür soll in eine Betonwand (d=25cm) eingebaut werden. Welche Dicke muss die Holztür haben, damit der Wärmeverlust gleich bleibt?

    Gilt:

    Mit:

    409

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    Physik für E-Techniker

    9.5.2 Konvektion

    = Wärmetransport durch Massentransport

    Beispiele: Heißwassersystem, Kühlsystem eines Motors, Blutkreislauf

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    Physik für E-Techniker

    9.5.3 Wärmestrahlung

    = Temperaturstrahlung = elektromagnetische Strahlung, die thermisch erzeugt wird. Ursache ist Temperatur des strahlenden Mediums

    Zur quantitativen Beschreibung: Schwarzer Strahler - absorbiert vollständig auftreffende Fremdstrahlung

    Absorptionsgrad α = 1

    - hat maximale Strahlungsleistung (Energiestrom, Strahlungsfluss)

    - erzeugte Strahlung hängt nur von Temperatur ab, nicht von Oberflächenbeschaffenheit

    - kann durch Hohlraumstrahler praktisch realisiert werden

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    Physik für E-Techniker

    Für Strahlungsdichte = Strahlungsleistung pro Wellenlängeneinheit in Halbraum emittierte Strahlung gilt:

    k = 1,38 x 10-23 J/K (Boltzmannkonstante) h = 6,6262 x 10-34 Js Planck‘sches Wirkungsquantum

    Strahlungsdichte für A = 1m2

    - Spektrum ist kontinuierlich - für am stärksten abgestrahlte

    Leistung gilt:

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    Physik für E-Techniker

    Für die gesamte abgestrahlte Leistung gilt: Stefan-Boltzmann-Gesetz Mit:

    Beispiel: Oberfläche der Haut eines menschlichen Körpers A=1,2 m2 Oberflächentemperatur der Haut ϑO = 30oC, Umgebungstemperatur ϑU = 20oC. Wie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung? (Hinweis: Mensch = schwarzer Körper)

    Aber! Es gibt ebenfalls Absorption der Umgebungsstrahlung !!!

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    Beispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß

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    Physik für E-Techniker

    Aufgabe eines Kühlkörpers

    - Wegleiten von Verlustwärme vom Bauelement

    - Abgabe der Wärme durch - Wärmestrahlung und - Konvektion

    an die Umgebung

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    Physik für E-Techniker

    Frage: Warum ist Erde so warm? = 15oC

    Frage: Wird Erde wärmer? Folgende Effekte spielen eine Rolle:

    - Sonnenlicht liefert Strahlungsleistung ΦS Erde wird warm

    - Aufgeheizte Erde gibt Strahlungsleistung ab gemäß

    Im Gleichgewicht (und im Mittel) gilt:

    T = konstant

    Mittlere empfangene Strahlungsleistung ( mittlerer Abstand Erde-Sonne)

    Solarkonstante S = 1353 W/m2

    Der Treibhauseffekt

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    Physik für E-Techniker

    Von der Erde absorbierte Strahlungsleistung

    r = Reflexionsgrad = 30 %

    Erde emittiert über die gesamte Oberfläche

    Im Gleichgewicht gilt:

    Berechnung der Erdtemperatur möglich

    TE = 254 K = - 18oC !!!!!!!!!

    Frage: Warum ist = + 15oC ????????

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    Doris Samm FH Aachen

    Physik für E-Techniker

    Antwort: Es gibt natürlichen Treibhauseffekt

    Es gilt: - Erdatmosphäre für ankommende Wärmestrahlung

    nahezu vollständig durchlässig - Erdatmosphäre (N2, O2) für Wärmestrahlung nahezu

    vollständig durchlässig

    Aber!

    Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung!

    CO2 0,03 Vol % liefert + 7oC H2O liefert + 21oC O3, N2O4, CH4 liefern + 5oC

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