ThermodynamikThermodynamikBuch, Sexl ab Seite 3Buch, Sexl ab Seite 3

BegriffeBegriffe

Lehre von der WärmeLehre von der Wärme

Umwandlung von Wärme in andere EnergieformenUmwandlung von Wärme in andere Energieformen

Druck, Temperatur, VolumenDruck, Temperatur, Volumen

Temperatur und TeilchenbewegungTemperatur und Teilchenbewegung

Robert Brown (1773-1858), engl, BotanikerRobert Brown (1773-1858), engl, Botaniker-> Brown‘sche Molekularbewegung -> Brown‘sche Molekularbewegung

youtubeyoutube

Atome und Moleküle von Stoffen: ständige Atome und Moleküle von Stoffen: ständige ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur des Stoffesdes Stoffes

ThermometerartenThermometerarten

TestTest

FlüssigkeitsthermometerFlüssigkeitsthermometer

BimetallthermometerBimetallthermometer

elektrische/elektronische Thermometerelektrische/elektronische Thermometer

Infrarot-ThermometerInfrarot-Thermometer

ThermometerartenThermometerarten

Bimetall

elektrisch/elektronisch

ThermometerartenThermometerarten

Flüssigkeits-thermometer

Infrarotthermometer

TemperaturenskalenTemperaturenskalen

dänischer Astronom dänischer Astronom Olaf Rømer Olaf Rømer

erstes Thermometer erstes Thermometer

FixpunkteFixpunkte: : Gefrier- und Siedepunkt des Wassers Gefrier- und Siedepunkt des Wassers (7°, 60°)(7°, 60°)

1742: Anders 1742: Anders CelsiusCelsius (Schwede) (Schwede)

TemperaturenskalenTemperaturenskalen

Daniel Gabriel FahrenheitDaniel Gabriel Fahrenheit

1. Fixpunkt1. Fixpunkt: tiefste Temperatur des Winters in : tiefste Temperatur des Winters in Danzig 1708/09: Danzig 1708/09: -17,8°C-17,8°C(reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak-(reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak-Gemisch) Gemisch)

2. Fixpunkt2. Fixpunkt: Gefrierpunkt des Wassers : Gefrierpunkt des Wassers 32 °F32 °F

3. Fixpunkt3. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden : Körpertemperatur eines gesunden Menschen Menschen 96 °F96 °F

Umrechnung: Umrechnung: F = °Cx1.8+32 F = °Cx1.8+32

TemperaturenskalenTemperaturenskalen

Absolute Temperatur:Absolute Temperatur:

Einheit: Einheit: KelvinKelvin

Fixpunkt: Fixpunkt: 0 K ... -273 °C 0 K ... -273 °C ( (absoluter Nullpunktabsoluter Nullpunkt))

273 K ... 0 °C273 K ... 0 °C

Kelvineinheit = CelsiuseinheitKelvineinheit = Celsiuseinheit

Negative KelvingradeNegative Kelvingrade

Temperatur-VolumsänderungTemperatur-Volumsänderung

Spiritus

Wasser

ΔT

ΔV

bei V0 = 50 cm3

Steigung k = ΔV/ΔT

ΔV/ΔT ~V0

d.h. ΔV/ΔT =γV0

γ: Volumen-ausdehnungskoeffizient

Volumen nach TemperaturänderungVolumen nach Temperaturänderung

V = V0 + ΔV = V0 +γV0 ΔT

Was istγ?

bei V0 = 1 m3

ΔV/ΔT =γV0 = γ1m3

γ gibt die Zunahme des Volumens von 1 m3 eines Stoffes bei Erwärmung um 1K an

Längenänderung nach Längenänderung nach TemperaturänderungTemperaturänderung

V = V0 + ΔV = V0 +γV0 ΔT

α gibt die Längenzunahme eines 1 m langen Körpers bei Erwärmung um 1K an

Analogie:

l = l0 +αl0 ΔT

α Längenausdehnungskoeffizient

Rechenbeispiele im Buch: S 10/11

WärmephänomeneWärmephänomene

DiffusionDiffusion

Wärmetransport:Wärmetransport:

WärmeströmungWärmeströmung

WärmeleitungWärmeleitung

WärmestrahlungWärmestrahlung

DiffusionDiffusion

Beispiel: Teebeutel im WasserBeispiel: Teebeutel im Wasser

Durchmischung durch thermische Durchmischung durch thermische BewegungBewegung

Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung

Wärmeströmung:Wärmeströmung:

Beispiel1: Beispiel1: RaumlufttemperaturRaumlufttemperatur

-> Zirkulation (Konvektion)-> Zirkulation (Konvektion)

Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung

Beispiel2:Beispiel2: Zirkulation der Luft durch Zirkulation der Luft durch Wärmeströmung Wärmeströmung

Tag:

Meer - Land

Nacht:

Land - Meer

Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung

Beispiel3: Beispiel3: Erdinneres (Konvektion)Erdinneres (Konvektion)

Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung

Beispiel4: Beispiel4: AufwindeAufwinde

Beispiel5:Beispiel5: große Windsysteme auf der Erde große Windsysteme auf der Erde

Beispiel6:Beispiel6: Golfstrom Golfstrom

Anomalie des WassersAnomalie des Wassers

0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab

Ursache: Bau des Wassermolküls -> höhere DichteUrsache: Bau des Wassermolküls -> höhere Dichte

Eis Eis schwimmt schwimmt im Wasserim Wasser

Ursache: Aufbau der Kristalle -> geringere DichteUrsache: Aufbau der Kristalle -> geringere Dichte

Bedeutung für die NaturBedeutung für die Natur

EisbergeEisberge

Wärmetransport: WärmeleitungWärmetransport: Wärmeleitung

Wärmeleitung: gute/schlechte WärmeleiterWärmeleitung: gute/schlechte Wärmeleiter

gute: gute: MetalleMetalle

schlechte: schlechte: Holz, Kork,...Holz, Kork,...

Beispiel1: Beispiel1: Griffe bei KochgeschirrGriffe bei Kochgeschirr

Beispiel2: Beispiel2: Wärmedämmung (Haus)Wärmedämmung (Haus)

Gibt es Kälteleitung?Gibt es Kälteleitung?

Wärmetransport: WärmestrahlungWärmetransport: Wärmestrahlung

Wärmestrahlung: Wärmestrahlung: elektromagnetische Strahlungelektromagnetische Strahlung

InfrarotInfrarot

für unsere Augen für unsere Augen unsichtbarunsichtbar

Infrarotsensoren: Wärmebildkamera, SchlangenInfrarotsensoren: Wärmebildkamera, Schlangen

Schlangen nehmen Beutetiere wie Wärme-bildkameras wahr

Das ideale Gas Das ideale Gas

Modell -> mathematisch-physikalisch beschreibbarModell -> mathematisch-physikalisch beschreibbar

IDEALES GASIDEALES GAS::

- Teilchen (Moleküle) haben - Teilchen (Moleküle) haben kinetische Energie kinetische Energie (Wärme)(Wärme)

-Teilchen sind Teilchen sind materielle Punkte materielle Punkte (kein Volumen)(kein Volumen)

-Keine Kräfte Keine Kräfte (Van der Waals) zwischen den Teilchen(Van der Waals) zwischen den Teilchend.h. große Abständed.h. große Abstände

- Moleküle üben - Moleküle üben elastische Stöße elastische Stöße ausaus (Druck: Stöße auf Gefäßwand) (Druck: Stöße auf Gefäßwand)

reales - ideales Gas reales - ideales Gas

in Natur: reales Gasin Natur: reales Gas

Edelgase kommen dem idealen Gas naheEdelgase kommen dem idealen Gas nahe

Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist idealGas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist ideal

Beispiel: Gase in VerbrennungsmaschinenBeispiel: Gase in Verbrennungsmaschinen

Zustandsgrößen idealer Gase Zustandsgrößen idealer Gase

1.1. DRUCKDRUCK

2.2. TEMPERATURTEMPERATUR

3.3. VOLUMENVOLUMEN

4. (ENERGIE)4. (ENERGIE)

Zustandsgleichung idealer Gase Zustandsgleichung idealer Gase

p V = n R Tp V = n R T

p ... DruckV ... Volumenn ... MolanzahlR ... allgemeine Gaskonstante (8,3 J mol-1 K-1 )T ... absolute Temperatur

R = NL * k NL ... Loschmidt‘sche Zahl k ... Boltzmann Konstante (1,38 10-23 J K-1

Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)

3D-Fläche

Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)

3 Achsen:

p, V, T

Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)

Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)

Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)

Zustandsänderungen:(change of state)

isobarisochorisothermadiabatisch

WärmekraftmaschinenWärmekraftmaschinen(heat engines)(heat engines)

... sind periodisch arbeitende Maschinen... sind periodisch arbeitende Maschinen

... sie transportieren Wärme zwischen zwei ... sie transportieren Wärme zwischen zwei Wärmebehältern mit unterschiedlichen TemperaturenWärmebehältern mit unterschiedlichen Temperaturen

TH > TC

WärmekraftmaschinenWärmekraftmaschinen(heat engines)(heat engines)

... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit) ... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit)

... sind Systeme, durch die Energie fließt... sind Systeme, durch die Energie fließt

MotorenMotoren: verrichten Arbeit : verrichten Arbeit (do work)(do work)

WärmepumpenWärmepumpen (heatpumps)(heatpumps): transportieren Wärme : transportieren Wärme

VerbrennungsmotorenVerbrennungsmotoren(combustions engines)(combustions engines)

Die chemische Energie des Kraftstoffs (Benzin, Diesel, Gas, ...) wird bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt.

Bei der Expansion des Verbrennungsgases wird Arbeit verrichtet.

Ottomotor - AufbauOttomotor - Aufbau

Zündkerze

Ventile

Kolben

Pleuelstange

Kurbelwelle

Zylinder

Ottomotor – motor structureOttomotor – motor structure

spark plug

valves

piston

connecting rod

crankshaft

cylinder

Viertaktmotor: FunktionsweiseViertaktmotor: Funktionsweise((four stroke enginefour stroke engine))

1.1. AnsaugtaktAnsaugtakt

2.2. VerdichtungstaktVerdichtungstakt

3.3. ArbeitstaktArbeitstakt

4.4. AuspufftaktAuspufftakt

4 stroke engine: functioning4 stroke engine: functioning((four stroke enginefour stroke engine))

1.1. intake or induction strokeintake or induction stroke

2.2. compression strokecompression stroke

3.3. power strokepower stroke

4.4. exhaust strokeexhaust stroke

Zweitaktmotor: MerkmaleZweitaktmotor: Merkmale((two stroke enginetwo stroke engine))

Überströmkanal

Ventile -> Kanäle

Zwei Takte:

1. Arbeitstakt2. Spülen, Befüllen, Verdichten

Ausströmkanal

two stroke engine: characteristicstwo stroke engine: characteristics

two strokes:1. Working cycle2. flushing, filling, compression

exhaust port

valves -> ports

transfer port

Zweitaktmotor: FunktionweiseZweitaktmotor: Funktionweise((two stroke engine – how does it worktwo stroke engine – how does it work))

http://www.youtube.com/watch?v=ooJYsOz1z7Y

Two stroke engine: how does it workTwo stroke engine: how does it work

description

ZweitaktmotorZweitaktmotor

Treibstoff: Benzin-Öl-GemischTreibstoff: Benzin-Öl-Gemisch

Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge, ...Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge, ...

Nachteile: Nachteile: -- keine vollständige Verbrennung des Treibstoffskeine vollständige Verbrennung des Treibstoffs

-- laut laut

two stroke enginetwo stroke engine

fuel: petrol-oil-mixturefuel: petrol-oil-mixture

application: lawnmower, gas chain saw, ...application: lawnmower, gas chain saw, ...

disadvantages: disadvantages: -- inefficient burning (fuel)inefficient burning (fuel)

-- noisy noisy

Benzinmotor - DieselmotorBenzinmotor - Dieselmotor

OttomotorOttomotor: Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird : Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird mit Zündkerze zur Explosion gebrachtmit Zündkerze zur Explosion gebracht

DieselmotorDieselmotor: Luft wird angesaugt und im Zylinder : Luft wird angesaugt und im Zylinder verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Entzündung und dann zur Verbrennung.Entzündung und dann zur Verbrennung.

DieselmotorDieselmotor: Einspritzpumpe statt Zündkerze: Einspritzpumpe statt Zündkerze

Petrol engine – diesel enginePetrol engine – diesel engine

Otto engineOtto engine: compressed fuel/air mixture is ignited : compressed fuel/air mixture is ignited by a spark plug -> explosion by a spark plug -> explosion

diesel enginediesel engine: air is sucked in and is compressed : air is sucked in and is compressed in cylinder. Finally the air has the ignition in cylinder. Finally the air has the ignition temperature of the fuel (diesel). The fuel injection temperature of the fuel (diesel). The fuel injection causes an ignition and finally a combustion.causes an ignition and finally a combustion.

diesel enginediesel engine: no spark plug but an injection pump: no spark plug but an injection pump

p*V hat die Dimension der Arbeit p*V hat die Dimension der Arbeit

Rechenmethode: Integrieren

p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren

p*V has the same dimension as work (power)p*V has the same dimension as work (power)

area calculation:integrate

p-V-diagram p-V-diagram of combustion engines of combustion engines

Das IntegralDas Integral

Integrieren: Flächenberechnung unter einer Kurve

p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren

p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren

p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren

p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren

zur Verfügung stehende Arbeit

zur Verfügung stehende Arbeit

p-V-Diagramm - Wirkungsgradp-V-Diagramm - Wirkungsgrad

η1 η2<

p-V-Diagramm - Carnotprozessp-V-Diagramm - Carnotprozess

idealisierter Kreisprozess

WärmepumpeWärmepumpe

Funktionsweise

http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php

-> Kältemittel

WärmepumpeWärmepumpe

Bestandteile

Verdampfer

Verdichter

Verflüssiger

Expansionventil

Umwälzpumpe

http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php

heat pumpheat pump

parts

evaporator

compressor

condenser

expansion valve

circulation pump

http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php