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NaWi für SoWi Physik Grundlagen Fallbeispiel Energie und Klima Das Weltbild der Physik.

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Präsentation zum Thema: "NaWi für SoWi Physik Grundlagen Fallbeispiel Energie und Klima Das Weltbild der Physik."—  Präsentation transkript:

1 NaWi für SoWi Physik Grundlagen Fallbeispiel Energie und Klima Das Weltbild der Physik

2 Was ist Physik? Althergebrachte Definition: Wissenschaft von den Vorgängen in der unbelebten Natur, die ohne Stoffumsetzung ablaufen. (Abgrenzung gegen Geisteswissenschaften, Biologie, Chemie). Unzureichend, weil Physik eigentlich nicht die Natur beschreibt, sondern unsere Modelle davon, Physik auch auf biologische und chemische Prozesse anzuwenden ist, wenn sie auch zu ihrer Beschreibung nicht ausreicht. Alternative Definition: Wissenschaft von den „einfachen Dingen“ (Komplexitätsgrad derart, dass Vorgänge „berechenbar“ sind)

3 Implizite Voraussetzungen  Es existiert eine erkennbare Wirklichkeit.  Die Wirklichkeit weist erkennbare Regelmäßigkeiten auf: „Unter gleichen Umständen geschieht Gleiches“. Bedingungen  Erkenntnistheoretische Voraussetzungen  in sich widerspruchsfrei, durch Erfahrung prüfbar

4 Mathematisierung Der Wirklichkeit werden Eigenschaften zugeschrieben, die sich in so genannten Skalen auf Zahlen abbilden lassen.Skalen Die so abgebildeten Eigenschaften heißen physikalische Größen.Größen Größen werden mathematisch durch Größengleichungen verknüpft.

5 Messen, Einheiten, Maßsysteme Messen: Vergleich mit einer Einheit nach einer Messvorschrift Grundgrößen und Maßsystem Internationale Maßsystem (SI, Système Internationale) definiert für sieben Grundgrößen die EinheitenGrundgrößen Skalare oder vektorielle Größen Funktionelle Abhängigkeit zwischen Größen Gleichungen, Diagramme

6 Grundlagen der Mechanik Durchschnittmomentan Abstand Ortsdifferenz zwischen Punkten Bahngleichung Spur eines Körpers im Raum Bewegungsgleichung Ort in Abhängigkeit von der Zeit Geschwindigkeit Beschleunigung m s -1 m s -2

7 Newton‘sche Axiome 1.Jeder kräftefreie Körper bleibt in seinem Bewegungszustand 2.Der Bewegungszustand ändert sich proportional zur Kraft 3.Kräfte sind immer Wechselwirkungen zwischen Körpern Kraft = Masse x Beschleunigungkg m s -2 Newton

8 Bewegungsgrößen Impuls Bewegungsenergie Arbeit = Kraft x Weg kg m 2 s -2 Joule Energie = hineingesteckte Arbeit Erhaltungsgrößen!

9 Größen und Einheiten Kraft: Masse x BeschleunigungN = kg m s -2 Mensch max. ca N Arbeit / Energie: Kraft x WegJ = N m = kg m 2 s -2 = Ws kWh = 1000 x 3600 J = 3.6 x 10 6 J Marathonlauf ca. 0.5 kWh (1.8 x 10 6 J) Zündholz ca. 50 J Blitz ca. 10 GJ (10 10 J) Jahresenergieverbrauch der Menschheit 450 EJ (450 x J)Energie Leistung: Arbeit / ZeitW = J s -1 = kg m 2 s -3 Mensch Dauerleistung ca. 70 W Höchstleistung ca W

10 Die globale Energiebilanz Wärme und Energie Sonne und Bahnbewegung der Planeten Energiebilanz der Erde Strahlungstemperatur der Erde Treibhauseffekt Wirkungsgrad und Ordnung Gesamtenergieangebot

11 Wärme und Energie Wärme ist die ungeordnete Energie der Teilchen eines Systems. Die Temperatur T ist ein Maß für die mittlere ungeordnete kinetische Energie pro Teilchen. Die innere Energie U eines Systems ist die ungeordnete kinetische Energie eines Systems. Sie ist proportional zur Temperatur.

12 Sonne und Bahnbewegung der Planeten Die Leuchtkraft der Sonne L 0 ist die pro Zeiteinheit insgesamt abgestrahlte Energie, d. h. die Strahlungsleistung der Sonne in allen Bereichen des Spektrums. Theorien der Sternentwicklung zufolge ist die Leuchtkraft der Sonne während der Lebensdauer der Erde (~5 Milliarden Jahre) um 30% angestiegen

13 Die Strahlungsfluss der Sonne, der auf einen Planeten trifft, hängt ab von –seinem mittleren Sonnenabstand –der Exzentrizität e seiner Umlaufbahn

14 Die Sonneneinstrahlung an der Oberfläche eines Planeten wird darüber hinaus beeinflusst von –der Neigung der Rotationsachse  zur Bahnebene (gegenwärtig 23.45°) –der Lage des Perihels  auf der Umlaufbahn (bezüglich des Frühlingspunkts)

15 Schema der elliptischen Bahn der Erde um die Sonne [Abbildung 11.9 aus Hartmann (1994)].

16 Energiebilanz der Erde: Erster Hauptsatz der Thermodynamik wobei: Betrag der zugeführten Wärme Änderung der inneren Energie des Systems dem System entzogene oder zugeführte Energie (vom System geleistete Arbeit)

17 Formen des Energieaustauschs Strahlung –Kein Masseaustausch, kein Medium erforderlich Wärmeleitung –Kein Masseaustausch, aber Medium erforderlich für Übertragung von Bewegungsenergie zwischen Atomen oder Molekülen Konvektion –Masse wird ausgetauscht, Nettomassentransport kann stattfinden, aber häufig tauschen Pakete unterschiedlichen Energieinhalts nur ihre Plätze Wärme kann auf drei Weisen einem System zugeführt oder ihm entzogen werden:

18 Strahlungsflussdichte in einem bestimmten Abstand von der Sonne: Solarkonstante Im mittleren Abstand der Erde von der Sonne (d = 1.496x10 11 m) (gemessen von Satelliten): (Wert nach Hartmann 1994)

19 Berechnung der Leuchtkraft der Sonne Die gesamte Strahlung der Sonne durchsetzt die Oberfläche einer Kugel um die Sonne mit dem Radius d. Unter der Annahme einer homogenen Strahlungsflussdichte kann die Leuchtkraft der Sonne durch Messung der Solarkonstanten bestimmt werden:

20 Aus der Leuchtkraft der Sonne folgt ihre mittlere Strahlungsflussdichte am Außenrand der Photosphäre:

21 Hohlraum- oder Schwarzkörperstrahlung Stefan-Boltzmann-Gesetz: Strahlungsflussdichte im inneren eines Hohlraums, der sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet: E B =  T 4,  = 5.57 x W m -2 K -4 Entspricht der Ausstrahlung eines idealen schwarzen Körpers

22 Berechnung der Strahlungstemperatur der Sonne Gleichsetzen der Strahlungsflussdichte an der Oberfläche der Photosphäre mit dem Stefan- Boltzmann-Gesetz liefert für die ihre Strahlungstemperatur (Temperatur der Photosphäre):

23 Strahlungstemperatur eines Planeten Die Strahlungstemperatur eines Planeten ist die Temperatur, mit der er strahlen muss, damit die Energiebilanz erfüllt wird:

24 Planetare Albedo Planetare Albedo (lat. „Weißheit“)  p, Reflexionsvermögen eines Planeten: Ein Teil der Sonnenenergie wird nicht absorbiert, sondern zurück in den Weltraum reflektiert und geht daher nicht in die planetare Energiebilanz ein. (von Satelliten aus gemessene Werte liegen meist bei 0.30 oder 0.31)

25 Ein kugelförmiger Planet blendet aus dem Strahlungsfluss der Sonne gerade die Schattenfläche aus [Abbildung 2.2 aus Hartmann (1994)].

26 Für die Schattenfläche eines Planeten mt Radius r p gilt: Für die Oberfläche eines Planeten mit Radius r p gilt: Teilen durch  r p 2 liefert die globale Energiebilanz:

27 Auflösen der globalen Energiebilanz führt auf die Strahlungstemperatur eines Planeten:  Einfachstes „globales Energiebilanzmodell“

28 Beispiel: Strahlungsstemperatur der Erde T e = 255 K entspricht globalen Mittel der Temperatur in ~5000 m Höhe  “Mitte der Atmosphäre” Großteil der Ausstrahlung erfolgt in der Tat durch Wasserdampf und Wolken

29 T e = 255 K = -18 °C viel niedriger als das beobachtete globale Mittel der Oberflächentemperatur von T s = 15°C Treibhauseffekt muss berücksichtigt werden Beispiel: Strahlungsstemperatur der Erde

30 Die Atmosphäre als idealer schwarzer Körper: Energiefluss eines Planeten mit einer Atmosphäre, die kurzwellige Strahlung durchlässt, aber langwellige Strahlung vollständig absorbiert [Abbildung 2.3 aus Hartmann (1994)]. 4. Treibhauseffekt

31 Energiebilanz für die Erdoberfläche: Die Oberflächentemperatur (T s ~303 K~30°C) ist erhöht, weil die Erdoberfläche nicht nur von der Sonneneinstrahlung, sondern auch von der atmosphärischen Gegenstrahlung erwärmt wird. Energiebilanz an der Außengrenze der Atmosphäre: A

32 Mensch, Umwelt, Energie Energie: In einem System vorhandenen Arbeit. Erhaltungsgröße! „Energieverbrauch“: Menge der Energie, die aus dem geordneten in den ungeordneten Zustand überführt wird. Entropie S : Maß für die Unordnung. Entropie=Energie/Temperatur Zweiter Hauptsatz: In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nie abnehmen.

33 Energieangebot … Sonnenabstrahlung 3.9 x W 1.2 x J / Jahr auf Erdoberfläche1.3 x W 4 x J / Jahr aus Erdinneren5 x W 1.6 x J / Jahr

34 … und „Energieverbrauch“Energieverbrauch Global 450 EJ / Jahr = 4.5 x J / Jahr 1.4 x entsprechend 0.01 % der Einstrahlung Kein Energie- sondern Energienutzungsproblem

35 Wirkungsgrad  gibt an, wie viel der ungeordneten Energie in Ordnung überführt werden kann. Für Sonne/Erde Wirkungsgrad

36 Für Sonne/Erde Wirkungsgrad

37 Für Dieselmotor Real maximal 0.4 Wirkungsgrad

38 Für Wärmepumpe (Wärme auf höheres Niveau) Real maximal 4.5 Wirkungsgrad

39 Strom: Ladungsfluss / Zeit Ampere A Glühbirne 0.4 A Starter im Auto 200 A Ladung: Strom x Zeit q = I x t A s Geladener Kamm 1  As Spannung: Energie / Ladung Volt V Stromnetz 230 V Autobatterie 12 V Leistung: Strom x Spannung W = V x A = J s -1 = kg m 2 s -3 Elektrische Einheiten


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