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9. Thermodynamik Physik für E-Techniker 9. Thermodynamik 9.5 Wärmetransport 9.5.1 Wärmeleitung 9.5.2 Konvektion 953 Wärmestrahlung 9.5.3 Wärmestrahlung 9.5.4 Der Treibhauseffekt Doris Samm FH Aachen

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9. Thermodynamik Physik für E-Techniker

9. Thermodynamik

9.5 Wärmetransport

9.5.1 Wärmeleitungg

9.5.2 Konvektion

9 5 3 Wärmestrahlung9.5.3 Wärmestrahlung

9.5.4 Der Treibhauseffekt

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9.5 WärmetransportMan unterscheidet:Wärmeleitung Energietransport durch Wechselwirkung

zwischen Atomen und MolekülenKonvektion Wärmeübertragung durch Stofftransportg g pStrahlung Emission/Absorption elektromagnetischer

Strahlung

Wärmeleitung

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λ

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9.5.1 Wärmeleitung

ist Konsequenz der kinetischen Energieq g

- Am heißen Ende schwingen Atome/Moleküle schneller- Durch Stöße wird Energie auf kalte Atome übertragen

K l A d ä T l i h i h- Kalte Atome werden wärmer, T gleicht sich an.

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

A: Fläche(TH – TK)/d : Temperaturgradientλ: Wärmeleitfähigkeitλ: Wärmeleitfähigkeit

mit λ = konst.

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Beispiel: Eine Holztür sollin eine Betonwand (d=25cm) i b t d W l h Di keingebaut werden. Welche Dicke

muss die Holztür haben, damit der Wärmeverlust gleich bleibt? 409,00

Mit:

Gilt:

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9.5.2 Konvektion= Wärmetransport durch Massentransport

B i i lBeispiele:Heißwassersystem, Kühlsystem eines PCs,y ,Blutkreislauf

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9.5.3 Wärmestrahlung = Temperaturstrahlung = elektromagnetische Strahlung,

di th i h t i ddie thermisch erzeugt wird.Ursache ist Temperatur des strahlenden Mediums

Z tit ti B h ib S h St hlZur quantitativen Beschreibung: Schwarzer Strahler- absorbiert vollständig auftreffende Fremdstrahlung

Absorptionsgrad α = 1

Zeit- hat maximale Strahlungsleistung

(Energiestrom, Strahlungsfluss)Energie

=

- erzeugte Strahlung hängt nur von Temperatur ab, nichtvon Oberflächenbeschaffenheitkann durch Hohlraumstrahler praktisch realisiert werden

Zeit

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- kann durch Hohlraumstrahler praktisch realisiert werden

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

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

Strahlungsdichte für A = 1m2Strahlungsdichte für A = 1m

- Spektrum ist kontinuierlich- für am stärksten abgestrahlte- für am stärksten abgestrahlte

Leistung gilt:

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

Beispiel:Oberfläche der Haut eines menschlichen Körpers A = 1,2 m2

Oberflächentemperatur der Haut ϑO = 30oCU b t t ϑ 20oCUmgebungstemperatur ϑU = 20oCWie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung?(Hinweis: Mensch = schwarzer Körper)

Aber! Es gibt auch Absorption der Umgebungsstrahlung !!!

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!!!

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Beispiel: Thermoskanne oder Dewar GefäßBeispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß

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Aufgabe eines Kühlkörpersg p

- Wegleiten von VerlustwärmeWegleiten von Verlustwärme vom Bauelement

- Abgabe der Wärme durchWä t hl d- Wärmestrahlung und

- Konvektionan die Umgebung

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9.5.4 Der Treibhauseffekt

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Frage: Warum ist Erde so warm? <ϑE> = 15oC

Der Treibhauseffekt

Frage: Wird Erde wärmer?

Folgende Effekte spielen eine Rolle:- Sonnenlicht liefert Strahlungsleistung ΦS Erde wird warm

- Aufgeheizte Erde gibt Strahlungsleistung ab gemäß

I Gl i h i h ( d i Mi l) ilIm Gleichgewicht (und im Mittel) gilt:

T = konstant

Mittlere empfangene Strahlungsleistung ( mittlerer Abstand Erde-Sonne)

SolarkonstanteS = 1353 W/m2

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( mittlerer Abstand Erde-Sonne) S 1353 W/m

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Von der Erde absorbierteStrahlungsleistung

r = Reflexionsgrad = 30 %

Erde emittiert über dieErde emittiert über die gesamte Oberfläche

Im Gleichgewicht gilt:Im Gleichgewicht gilt:

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

Frage: Warum ist <ϑ> = + 15oC ????????

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Antwort: Es gibt natürlichen Treibhauseffekt

Es gilt:- Erdatmosphäre für ankommende Wärmestrahlung

nahezu vollständig durchlässigg g- Erdatmosphäre (N2, O2) für Wärmestrahlung nahezu

vollständig durchlässig

Aber!

Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung!Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung!

CO2 0,03 Vol % liefert + 7oCH O liefert + 21oCH2O liefert + 21oCO3, N2O4, CH4 liefern + 5oC

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9. Thermodynamik

Die Grafik aus einem Entwurf des künftigen Klimareports der Uno zeigt, dass die globale Temperatur seit 1998 nicht gestiegen ist. Die Klimaprognosen über so kurze Zeiträume (farbig) erweisen sich als unsicher. FAR, SAR, TAR, AR4erweisen sich als unsicher. FAR, SAR, TAR, AR4 und ihre Farben markieren unterschiedliche Klimaberichte der Uno mit unterschiedlichen Klimaszenarien. Langfristige Klimaprognosen gelten als vertrauenswürdiger, weil sich kurzfristige Klimaphänomene aufheben könnenkurzfristige Klimaphänomene aufheben können.