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Kapitel 6 Wärmelehre 6. Wärmelehre 6.1 Wie entsteht Wärme? Handflächen reiben Seil herunterrutschen Bremsen beim Fahrrad, Auto, Zug Bohren (Versuch!! mit.

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1 Kapitel 6 Wärmelehre 6. Wärmelehre 6.1 Wie entsteht Wärme? Handflächen reiben Seil herunterrutschen Bremsen beim Fahrrad, Auto, Zug Bohren (Versuch!! mit Bohrmaschine: Bohrer und Bohrstück werden warm) Reibungswärme Verbrennungswärme In Holz, Öl, Gas, Kohle ist chemische Energie gespeichert. Sie wird bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann zum Teil für den Antrieb von Motoren verwendet werden. z. B. Ottomotor.

2 Kapitel 6 Wärmelehre Stromwärme Tauchsieder Glühlampe wird heiß Bügeleisen Wärme ist eine Form von Energie.

3 Kapitel 6 Wärmelehre 6.2 Die Natur der Wärme Versuch: Glaswanne wird von Licht durchstrahlt. Ergebnis: Die Schwebeteilchen im Wasser bewegen sich. Wh. 2. Klasse: Alle Körper sind aus Teilchen aufgebaut. Diese bewegen sich ständig. Wir sprechen von thermischer Bewegung oder Molekularbewegung. Die Teilchen haben kinetische Energie (Bewegungsenergie). Die kinetische Energie aller Teilchen eines Körpers ergibt seine Wärmeenergie. Die Einheit der Wärmeenergie ist das Joule.

4 Kapitel 6 Wärmelehre Wärme breitet sich von alleine aus. Körper 1 Körper 2 Temperatur 1Temperatur 2 Wärme geht von selbst immer von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niederer Temperatur. Teilchen im wärmeren Körper werden langsamer, die im kälteren schneller. Es kommt zu einem Ausgleich. Problem: Manche Flaschen und Gläser mit metallischen Schraubverschlüssen lassen sich nicht öffnen. ? Lösung: Wir stellen die Flasche oder das Glas in warmes Wasser. Dadurch erhöht sich der Innendruck und das Öffnen geht leicht.

5 Kapitel 6 Wärmelehre Die spezifische Wärme Versuch: Erwärmung einer bestimmten Wassermenge mit dem Tauchsieder. DauerMasseTemperaturerhöhung 90 s400g 45 s400g 45 s200g Die spezifische Wärme eines Körpers ist jene Wärmemenge, die nötig ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen.

6 Kapitel 6 Wärmelehre Stoffspez. Wärme J/kg°C Wasser4187 Eis2100 Aluminium850 Kupfer380 Eisen460 Blei130 Führe Aufgabe 2.4 und 2.5 Seite 6 aus: Q = 1kg J/kg°C · 25 = J = 104,675 kJ 1 kJ = 1000 J Q = 1kg J/kg°C · 82 = J =343,334 kJ Zu 2.5:Wasser hat eine große spezifische Wärme und kann daher viel Wärmeenergie speichern.

7 Kapitel 6 Wärmelehre 3 Kegel aus verschiedenen Materialien - aber gleicher Masse und gleichem Öffnungswinkel - werden über 70°C erwärmt, anschließend in Wachs getaucht. Versuch: Überlege, was passiert!

8 Kapitel 6 Wärmelehre 3 Kegel aus verschiedenen Materialien - aber gleicher Masse und gleichem Öffnungswinkel - werden über 70°C erwärmt, anschließend in Wachs getaucht. Ergebnis: Der Al-Kegel dringt am tiefsten ein, der Blei-Kegel am wenigsten. Begründung: spez. Wärme von Al am höchsten von den 3 Stoffen. Versuch:

9 Kapitel 6 Wärmelehre 6.3 Wärmeübertragung Wärmeleitung Versuch: Ergebnis: Die Kügelchen fallen in der Reihenfolge: ………………. Wärme schreitet im Körper von Teilchen zu Teilchen fort.

10 Kapitel 6 Wärmelehre Gute Wärmeleiter: Metalle Anwendung: Kühlrippen, Kochtopf, Heizkörper aus Metall, … Schlechte Wärmeleiter (Isolatoren) Sie sollen den Wärmetransport verhindern. Holz, Stoffe, Kunststoffe, Steinwolle, Styropor, Kork zum Dämmen von Gebäuden Verbundglasfenster mit Luftschicht als Isolator Flüssigkeiten Gase Buch Seite 8 Aufg. 3.1 und Ummantelung mit Steinwolle oder Schaumgummi 3.2 Bakelit, bzw. Kunststoff

11 Kapitel 6 Wärmelehre Wärmeströmung Bei der Wärmeströmung bewegen sich die Teilchen in einer Richtung. Das wärmere Wasser hat eine geringere Dichte als das kältere und steigt daher hoch.

12 Kapitel 6 Wärmelehre Anwendungen zur Wärmeströmung Kaminwirkung Die warmen Abgase steigen nach oben. Zentralheizung Lüften von Räumen (warme Luft geht beim Fenster oben hinaus, kalte sinkt herein). Aufwinde an Südhängen Vgl. B. S. 13

13 Kapitel 6 Wärmelehre Aufgabe: Buch Seite 9 Aufg. 4.1 und 4.2 Zu 4.1 Luft zirkuliert im Zimmer Zu 4.2 Decke, weil sich dort die warme Luft ansammelt. Golfstrom, warme Meeresströmung im nördlichen Atlantik. Der Golfstrom entsteht aus der Vereinigung von Florida- und Antillenstrom nördlich der Bahamainseln und erstreckt sich bis südlich der Neufundlandbank. Dort fließt ein großer Teil des Golfstroms nach Südosten und später nach Südwesten und bleibt im Nordamerikanischen Becken. Der verbleibende Teil umströmt die Neufundlandbank und beginnt als Nordatlantischer Strom in Richtung Europa zu fließen. Das von ihm mitgeführte Wasser erhöht die Wasser- und Lufttemperaturen vor Nordwesteuropa. Zu 4.3

14 Kapitel 6 Wärmelehre Beispiele: Sonnenenergie durch das Weltall Heizstrahler im Bad Starker Scheinwerfer Strahlung eines Kachelofens Wärmestrahlung Breitet sich die Wärme ohne ein Medium aus, sprechen wir von Wärmestrahlung. Die Strahlung breitet sich geradlinig aus.

15 Kapitel 6 Wärmelehre Versuch zur Wärmestrahlung Dunkle und raue Körper absorbieren mehr Wärme. Sie strahlen auch mehr Wärme ab als glatte und helle. Anwendung: Sonnenkollektor: In ihm wird die Sonnenstrahlung verwendet um Wasser zu erwärmen. Die Aufstellung sollte nach Süden sein. Sehr günstig 45° Neigung. Schwarzes Blech wird schneller heiß.

16 Kapitel 6 Wärmelehre

17 Schema einer thermischen Solaranlage

18 Kapitel 6 Wärmelehre

19 Die Erwärmung einer Fläche hängt vom Einfallswinkel der Wärmestrahlen ab. Auf dieselbe Fläche fallen bei schrägem Einfall weniger Strahlen. Damit lässt sich auch Sommer - Winter erklären.

20 Kapitel 6 Wärmelehre Zusammenfassung S. 11 abschreiben. Seite 11 Aufgabe 5.1: Weiße (helle) Kleider 5.2 Schmelzen 5.3 Dass die Strahlen reflektiert werden. Führe die Aufgaben S. 11 Nr. 5.1, 5.2 und 5.3 aus! Aufbau einer Thermoskanne: Metall wegen Reflexion der Strahlen Glas: schlechter Wärmeleiter Vakuum: Schlechter Wärmeleiter. Verhindert Wärmeströmung

21 Kapitel 6 Wärmelehre 6.4 Brennstoffe und ihr Heizwert Lies B. S. 12 Fossile Brennstoffe: Holz, Kohle, Heizöl, Erdgas, Propangas usw. Sie sind alle durch die Sonnenstrahlung entstanden. (Wachstum der Pflanzen). Sie geben bei der Verbrennung um so mehr Wärme ab, je mehr sie Kohlenstoff enthalten. Um die Brennstoffe vergleichen zu können wird der Heizwert eingeführt. Der Heizwert eines Stoffes ist jene Energie, die bei der Verbrennung von 1kg dieses Stoffes frei wird.

22 Kapitel 6 Wärmelehre StoffHeizwert in kJ/kg Holz15000 Koks30000 Benzin42000 Propangas (ca 0,5 m3)50000 Heizöl extra leicht (Diesel)42000 Der Heizwert eines Stoffes ist jene Energie, die bei der Verbrennung von 1kg dieses Stoffes frei wird. Probleme: Die Erdöl- Erdgas und Kohlevorräte, die bereits vor Millionen von Jahren entstanden sind, werden erst seit dem 18. Jahrhundert in großen Mengen abgebaut. Wenn der Energieverbrauch auf dem derzeitigen Niveau bleibt, werden die Erdölreserven noch ca Jahre reichen. Die fossilen Brennstoffe setzen bei der Verbrennung das Treibhausgas CO 2 frei, das zu einer Klimaveränderung führt.

23 Kapitel 6 Wärmelehre Die fossilen Brennstoffe setzen bei der Verbrennung das Treibhausgas CO 2 frei, das zu einer Klimaveränderung führt. !!!!! Energie möglichst sparsam einsetzen. Alternativenergien mehr fördern!! Solare Brauchwasserbereitung Nutzung der Sonnenenergie zum Heizen Wärmepumpen Isolieren von Gebäuden,....

24 Kapitel 6 Wärmelehre 6.5 Heizsysteme Lies Buch S. 13 Früher: Ofen (Holz, Kohle) für jedes Zimmer. Heute meist: Warmwasser-Zentralheizung. Wasser wird im Heizkessel erwärmt und mit einer Umwälzpumpe in die Heizkörper transportiert (Vorlauf). Das Wasser gibt im Heizkörper seine Wärme ab und fließt über den Rücklauf in den Heizkessel. Die Beheizung des Heizkessels kann mit Holz, Kohle, Öl, Gas erfolgen. Billiger und umweltfreundlicher ist der Betrieb einer Wärmepumpe. (Anschaffung ist teurer). Mit einem Einsatz von 1 kWh bekommt man 4 kWh an Wärmeenergie. (3/4 kommen aus der Umgebung) Heizsystem muss passen (niedere Vorlauftemperatur (max. 55°C)).

25 Kapitel 6 Wärmelehre Alternative Beheizungen: Kachelofen (mit Umluft auch für mehrere Räume verwendbar) Warmluftkollektoren mit Geröllspeicher. Sonnenkollektoren sind höchstens als Vorheizung im Winter geeignet. Für die Bereitung von Warmwasser sind sie für das Sommerhalbjahr aber ideal (April - Sept.) Man kann damit 60% des Warmwasserbedarfs decken. Hausübung: Preise für Gas, Heizöl und Kohle erfragen. Heizkosten für Einfamilienhaus pro Heizsaison. Herausfinden, welches Heizsystem zuhause verwendet wird.

26 Kapitel 6 Wärmelehre Erhebung Heizsysteme Art der Heizung Verbrauchte Heizmaterialmenge (Liter, m³, kwh,..) Heizwert des Heizmaterials Wärmeenergie = Heizwert x Menge Flächeninhalt der beheizten Fläche „Energiekennzahl“ = Anzahl der Personen Energieverbrauch pro Person Art der Warmwasserbereitung (elektr. / Sonne/ mit Heizung) Ist die Warmwasserbereitung in der obigen Heizmaterialmenge enthalten?

27 Kapitel 6 Wärmelehre 6.6 Brandbekämpfung Lies Buch S. 14. Voraussetzungen für Verbrennung: Brennbarer Stoff und Sauerstoff. Ein Maß für die Feuergefährlichkeit eines Stoffes ist sein Flammpunkt. Darunter versteht man jene Temperatur, von der an sich das Gemisch aus dem Dampf des brennbaren Stoffes mit der Luft entzünden lässt. Flammpunkte: Ether: -40°C Benzin: -20°C Dieselöl: 55°C

28 Kapitel 6 Wärmelehre Brandbekämpfung: Abkühlen der brennbaren Stoffe z. B. mit Wasser. Achtung nicht bei brennenden Flüssigkeiten!!!! Verhindern der Sauerstoffzufuhr: feuchte Decken über den brennenden Körper. Feuerlöscher ist meist mit Kohlendioxid gefüllt (verhindert Luftzufuhr) Feuerwehr: 122 Rettung: 144 Gendarmerie 133

29 Kapitel 6 Wärmelehre 6.7 Zustandsänderungen Alle Gegenstände werden als Körper bezeichnet. Sie treten in verschiedenen Zustandsformen auf. Festkörper Flüssigkeiten Gase flüssig fest gasförmig

30 Kapitel 6 Wärmelehre Eiswürfel in die Hand nehmen. Er wird allmählich zu Wasser. Dazu ist Wärme nötig. Zum Sieden ist ebenfalls Wärme nötig. Aggregatzustandsänderungen: Überlegungen: Die Übergänge sind mit Wärmezufuhr bzw. mit Wärmeabgabe verbunden. Auch Änderungen des Druckes können zu Aggregatzustandsände- rungen führen. z. B. Propangas wird in Flaschen unter sehr hohen Druck gesetzt, dadurch wird es dort flüssig.

31 Kapitel 6 Wärmelehre Schmelzen und Erstarren Versuch: 1 Liter Wasser mit 80°C und 1 kg Eis werden zusammengemischt. Vgl. Abb Seite 17 Ergebnis: Es entstehen 2 kg Wasser mit einer Temperatur von 0°C. Wir berechnen die eingesetzte Wärmeenergie: Um Wasser von 0°C auf 80°C zu erwärmen benötigen wir 80·4,187 kJ = 334,96 kJ Diese Wärme benötigen wir für das Schmelzen von 1kg Eis. Die Schmelzwärme eines Stoffes ist jene Wärmeenergie, die nötig ist, um 1kg eines Stoffes beim Schmelzpunkt vom festen in den flüssigen Zustand zu bringen.

32 Kapitel 6 Wärmelehre Die Schmelzwärme des Eises beträgt 335 kJ/kg. Diese Wärme ist im Vergleich zu anderen Stoffen ziemlich groß. Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand wird die Erstarrungswärme frei. Die Erstarrungswärme ist gleich groß wie die Schmelzwärme. Anwendung: Frostbekämpfung. Lies B. S. 17 Abb. 11.2

33 Kapitel 6 Wärmelehre Volumsänderungen beim Schmelzen und Erstarren. Versuch1: Paraffin erstarren lassen.→ Es zieht sich zusammen.

34 Kapitel 6 Wärmelehre Versuch2: Kältemischung mit drei Teilen Eis und einem Teil Kochsalz herstellen. Eine Eprouvette mit 10 cm Wassersäule langsam hineingeben. → Wasser erstarrt und dehnt sich um ca. 1/11 des Volumens aus. Die meisten Stoffe dehnen sich beim Schmelzen aus und ziehen sich beim Erstarren zusammen. Ausnahme Wasser. Das Wasser dehnt sich beim Gefrieren.

35 Kapitel 6 Wärmelehre Bedeutung in der Natur: Überlege Aufgaben 11.1 bis 11.5 B. S. 18

36 Kapitel 6 Wärmelehre Löten und Schweißen Lies Buch Seite 19! Metalle können durch Löten bzw. Schweißen miteinander verbunden werden.

37 Kapitel 6 Wärmelehre Anomalie des Wassers Die meisten Flüssigkeiten beanspruchen bei höherer Temperatur ein größeres Volumen. (Sie dehnen sich aus. vgl. Flüssigkeitsthermometer) Bei Wasser zeigt sich zwischen 0°C und 4°C ein anderes Verhalten. Versuch: Hohes Glas mit Wasser und zerkleinertem Eis gefüllt. Gut mischen. 2 Thermometer: T1 taucht bis zum Boden ein, T2 taucht bis zur schwimmenden Eisschicht ein. Ergebnis: T1 zeigt 4°C, T2 zeigt 0°C. Folgerung: Das Wasser mit der größeren Dichte sammelt sich unten an. Wasser hat bei 4°C seine größte Dichte und sein kleinstes Volumen.

38 Kapitel 6 Wärmelehre Hausübung: Abb Seite 20 zeichnen (beide Bilder). Die Anomalie des Wassers hat eine große Bedeutung für die Wasserlebewesen. Wasser gefriert von oben zu. Tiefe Gewässer gefrieren nie bis zum Boden. WinterSommer

39 Kapitel 6 Wärmelehre Verdampfen, Sieden, Verdunsten Sieden erfolgt bei einer ganz bestimmten Temperatur. Wh: Wie haben wir die Temperatureinheit Grad Celsius festgelegt? Verdunsten erfolgt bei beliebiger Temperatur. (Ist ein Vorgang an der Oberfläche der Flüssigkeit.) Wir haben gelernt: Wasser siedet bei Normaldruck (1013 mbar) bei 100°C

40 Kapitel 6 Wärmelehre Gibt man Wasser in einen abgeschlossenen Topf und erhitzt es, so siedet es erst bei höherer Temperatur. Grund: Der Druck ist höher und erhöht damit den Siedepunkt. Anwendung: Dampfdruckkochtopf (Schnellkochtopf). (Achtung: Sicherheitsventil nötig) Dort sieden die Speisen erst bei etwa 125 °C. Dies hat den Vorteil, dass die Speisen schneller gar werden. (Lebenswichtige Vitamine und Mineralsalze bleiben erhalten). Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab. Bei höherem Druck wird sie höher, bei geringerem erniedrigt sie sich. Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck. Versuch: Becherglas mit Wasser von Zimmertemperatur gefüllt unter Vakuumpumpe. Ergebnis: Wasser siedet bei sehr kleinem Druck bereits bei Zimmertemperatur.

41 Kapitel 6 Wärmelehre

42 Die Verdampfungswärme Beim Sieden stellt man fest, dass man beim Siedepunkt ständig Wärme zuführt, ohne dass sich die Temperatur erhöht. Diese Wärmeenergie wird benötigt, dass sich der Dampf ausdehnen kann. Er benötigt ein viel größeres Volumen als die Flüssigkeit (1 dm³ Wasser → 1700 dm³ Dampf). Zwischen den Dampfmolekülen herrschen fast keine Molekularkräfte. Die Verdampfungswärme ist jene Wärmeenergie, die nötig ist, um 1kg einer Flüssigkeit beim Siedepunkt in den dampfförmigen Zustand zu bringen. Beim Verdunsten haben wir die Verdunstungskälte. Die Verdampfungswärme des Wassers beträgt 2260 kJ/kg. Vergleiche Tabelle Buch S. 22.

43 Kapitel 6 Wärmelehre Versuch: Uhrglas auf Korken mit Wassertropfen stellen. In das Uhrglas ein paar Tropfen Äther gießen und rasch mit Gebläse zum Verdunsten bringen. Versuch: Wattebausch in Spiritus oder Äther eintauchen und um ein Thermometer wickeln. Ergebnis: Es kühlt ab. Ergebnis: Es bildet sich eine Eisschicht infolge der Verdunstungskälte. Aufgaben 14.1 bis 14.6 Buch Seite 22.

44 Kapitel 6 Wärmelehre Verflüssigung (Kondensation) Übergang: Gasförmig → flüssig. Dies wird durch Abkühlen erreicht. Versuch: Wir bringen in einem Kolben Wasser zum Sieden. Den Wasserdampf leiten wir in ein Gefäß mit kaltem Wasser, dessen Masse und Temperatur wir vorher bestimmt haben. Nach einer gewissen Zeit messen wir wieder die Temperatur des Wassers und die Masse. Die Masse hat nur wenig zugenommen, die Temperatur verhältnismäßig viel.

45 Kapitel 6 Wärmelehre Versuchsergebnis 3f Klasse ( ) m 1 = 272,4 g = 0,2724 kg t 1 = 20,9 °C m 2 = 292,2 g = 0,2922 kg t 2 = 35,2 °C m D = 0,0198 kg Masse des Wasserdampfs, der kondensiert ist ΔT = 14,3 °C Wärmemenge, um m 1 um ΔT zu erwärmen: Q 1 = 4187·0,2724·14,3 = 16309,7 J Wärmemenge, die der kondensierte Wasserdampf m D beim Abkühlen von 100°C auf 35,2 °C abgegeben hat: Q 2 = 4187·0,0198·64,8 = 5372,1 J ist viel weniger. Der größere Teil stammt von der Kondensationswärme: Q K = 10937,6 J

46 Kapitel 6 Wärmelehre Destillieren: Als Destillieren bezeichnet man das Verdampfen einer Flüssigkeit und das anschließende Verflüssigen. Diese Methode kann verwendet werden, um Flüssigkeitsgemische mit verschiedenem Siedepunkt zu trennen bzw. zu reinigen. Beispiele: Schnaps-Brennen. Fraktionierte Destillation des Erdöls. Führe Aufgabe 15.1 B. S. 23 aus!

47 Kapitel 6 Wärmelehre Die Wärmepumpe

48 Kapitel 6 Wärmelehre Vorgänge bei der Wärmepumpe: 1. Verdampfen: Flüssiges Kältemittel wird bei niederem Druck verdampft. Die Verdampfungs-wärme wird der Umgebung entzogen. (Grundwasser, Fluss, Erdreich, Luft ) 2. Verdichten: Der Kompressor saugt das dampfförmige Kältemittel an und verdichtet es. Dabei erwärmt es sich, bleibt aber dampfförmig. 3. Verflüssigen: Der überhitzte Dampf wird vom Verflüssiger abgekühlt. Dabei kondensiert das Kältemittel und gibt die Kondensationswärme ab. Der Verflüssiger wird für den Heizkreislauf verwendet. 4. Entspannen: Das Expansionsventil gleicht den Druckunterschied aus. Das jetzt wieder flüssige Kältemittel gelangt in den Verdampfer zurück. Vorgang 1 bis 4 wiederholt sich. →Kreisprozess.

49 Kapitel 6 Wärmelehre Versuch: Wir erwärmen 5 kg Wasser TemperaturElektrische Energie vorher25°C nachher50°C ∆T = 25°C25°C63,94 Wh Erhaltene Wärmeenergie: Q = 4187·5 · 25 = J = 145,38 Wh Güteziffer: Erhaltene Energie / hineingesteckte Energie. Güteziffer = 145,38/63,94= 2,27 Das heißt: Wir erhalten doppelt soviel, wie wir hineingesteckt haben. Bei heutigen Wärmepumpen erzielen wir die Güteziffern von 4. Bemerkung: Der Kühlschrank ist eine umgekehrt betriebene Wärmepumpe.


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