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Thermodynamik Buch, Sexl ab Seite 3. Begriffe Lehre von der Wärme Lehre von der Wärme Umwandlung von Wärme in andere Energieformen Umwandlung von Wärme.

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1 Thermodynamik Buch, Sexl ab Seite 3

2 Begriffe Lehre von der Wärme Lehre von der Wärme Umwandlung von Wärme in andere Energieformen Umwandlung von Wärme in andere Energieformen Druck, Temperatur, Volumen Druck, Temperatur, Volumen

3 Temperatur und Teilchenbewegung Robert Brown ( ), engl, Botaniker -> Brownsche Molekularbewegung Robert Brown ( ), engl, Botaniker -> Brownsche Molekularbewegung youtube youtubeyoutube Atome und Moleküle von Stoffen: ständige ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur des Stoffes Atome und Moleküle von Stoffen: ständige ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur des Stoffes

4 Thermometerarten Test Test Test Flüssigkeitsthermometer Flüssigkeitsthermometer Bimetallthermometer Bimetallthermometer elektrische/elektronische Thermometer elektrische/elektronische Thermometer Infrarot-Thermometer Infrarot-Thermometer

5 Thermometerarten Bimetall elektrisch/elektronisch

6 Thermometerarten Flüssigkeits- thermometer Infrarotthermometer

7 Temperaturenskalen dänischer Astronom Olaf Rømer dänischer Astronom Olaf Rømer erstes Thermometer erstes Thermometer Fixpunkte: Gefrier- und Siedepunkt des Wassers (7°, 60°) Fixpunkte: Gefrier- und Siedepunkt des Wassers (7°, 60°) 1742: Anders Celsius (Schwede) 1742: Anders Celsius (Schwede)

8 Temperaturenskalen Daniel Gabriel Fahrenheit Daniel Gabriel Fahrenheit 1. Fixpunkt: tiefste Temperatur des Winters in Danzig 1708/09: -17,8°C (reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak- Gemisch) 1. Fixpunkt: tiefste Temperatur des Winters in Danzig 1708/09: -17,8°C (reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak- Gemisch) 2. Fixpunkt: Gefrierpunkt des Wassers 32 °F 2. Fixpunkt: Gefrierpunkt des Wassers 32 °F 3. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden Menschen 96 °F 3. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden Menschen 96 °F Umrechnung: F = °Cx Umrechnung: F = °Cx1.8+32

9 Temperaturenskalen Absolute Temperatur: Einheit: Kelvin Fixpunkt: 0 K °C (absoluter Nullpunkt) 273 K... 0 °C 273 K... 0 °C Kelvineinheit = Celsiuseinheit Kelvineinheit = Celsiuseinheit Negative Kelvingrade Negative Kelvingrade

10 Temperatur-Volumsänderung Spiritus Wasser ΔT ΔV bei V 0 = 50 cm 3 Steigung k = Δ V / ΔT ΔV/ΔT ~ V 0 d.h. ΔV/ΔT =γ V 0 γ: Volumen- ausdehnungskoeffizient

11 Volumen nach Temperaturänderung V = V 0 + ΔV = V 0 +γV 0 ΔT Was istγ? bei V 0 = 1 m 3 ΔV/ΔT =γV 0 = γ1m 3 γ gibt die Zunahme des Volumens von 1 m 3 eines Stoffes bei Erwärmung um 1K an

12 Längenänderung nach Temperaturänderung V = V 0 + ΔV = V 0 +γV 0 ΔT α gibt die Längenzunahme eines 1 m langen Körpers bei Erwärmung um 1K an Analogie: l = l 0 +αl 0 ΔT α Längenausdehnungskoeffizient Rechenbeispiele im Buch: S 10/11

13 Wärmephänomene Diffusion Diffusion Wärmetransport: Wärmetransport: Wärmeströmung Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmeleitung Wärmestrahlung Wärmestrahlung

14 Diffusion Beispiel: Teebeutel im Wasser Beispiel: Teebeutel im Wasser Durchmischung durch thermische Bewegung Durchmischung durch thermische Bewegung

15 Wärmetransport: Wärmeströmung Wärmeströmung: Beispiel1: Raumlufttemperatur -> Zirkulation (Konvektion) -> Zirkulation (Konvektion)

16 Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel2: Zirkulation der Luft durch Wärmeströmung Tag: Meer - Land Nacht: Land - Meer

17 Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel3: Erdinneres (Konvektion)

18 Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel4: Aufwinde Beispiel5: große Windsysteme auf der Erde Beispiel6: Golfstrom

19 Anomalie des Wassers 0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab 0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab Ursache: Bau des Wassermolküls -> höhere Dichte Ursache: Bau des Wassermolküls -> höhere Dichte Eis schwimmt im Wasser Eis schwimmt im Wasser Ursache: Aufbau der Kristalle -> geringere Dichte Ursache: Aufbau der Kristalle -> geringere Dichte Bedeutung für die Natur Bedeutung für die Natur

20 Eisberge

21 Wärmetransport: Wärmeleitung Wärmeleitung: gute/schlechte Wärmeleiter gute: Metalle schlechte: Holz, Kork,... Beispiel1: Griffe bei Kochgeschirr Beispiel2: Wärmedämmung (Haus) Gibt es Kälteleitung?

22 Wärmetransport: Wärmestrahlung Wärmestrahlung: elektromagnetische Strahlung Infrarot für unsere Augen unsichtbar Infrarotsensoren: Wärmebildkamera, Schlangen Schlangen nehmen Beutetiere wie Wärme- bildkameras wahr

23 Das ideale Gas Modell -> mathematisch-physikalisch beschreibbar Modell -> mathematisch-physikalisch beschreibbar IDEALES GAS: IDEALES GAS: - Teilchen (Moleküle) haben kinetische Energie (Wärme) -Teilchen sind materielle Punkte (kein Volumen) -Keine Kräfte (Van der Waals) zwischen den Teilchen d.h. große Abstände - Moleküle üben elastische Stöße aus (Druck: Stöße auf Gefäßwand)

24 reales - ideales Gas in Natur: reales Gas in Natur: reales Gas Edelgase kommen dem idealen Gas nahe Edelgase kommen dem idealen Gas nahe Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist ideal Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist ideal Beispiel: Gase in Verbrennungsmaschinen Beispiel: Gase in Verbrennungsmaschinen

25 Zustandsgrößen idealer Gase 1. DRUCK 2. TEMPERATUR 3. VOLUMEN 4. (ENERGIE)

26 Zustandsgleichung idealer Gase p V = n R T p... Druck V... Volumen n... Molanzahl R... allgemeine Gaskonstante (8,3 J mol -1 K -1 ) T... absolute Temperatur R = N L * k N L... Loschmidtsche Zahl k... Boltzmann Konstante (1, J K -1

27 Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung) 3D-Fläche

28 Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung) 3 Achsen: p, V, T

29 Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung)

30

31 Zustandsänderungen: (change of state) isobar isochor isotherm adiabatisch

32 Wärmekraftmaschinen (heat engines)... sind periodisch arbeitende Maschinen... sind periodisch arbeitende Maschinen... sie transportieren Wärme zwischen zwei Wärmebehältern mit unterschiedlichen Temperaturen... sie transportieren Wärme zwischen zwei Wärmebehältern mit unterschiedlichen Temperaturen T H > T C

33 Wärmekraftmaschinen (heat engines)... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit)... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit)... sind Systeme, durch die Energie fließt... sind Systeme, durch die Energie fließt Motoren: verrichten Arbeit (do work) Motoren: verrichten Arbeit (do work) Wärmepumpen (heatpumps): transportieren Wärme Wärmepumpen (heatpumps): transportieren Wärme

34 Verbrennungsmotoren (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.

35 Ottomotor - Aufbau Zündkerze Ventile Kolben Pleuelstange Kurbelwelle Zylinder

36 Ottomotor – motor structure spark plug valves piston connecting rod crankshaft cylinder

37 Viertaktmotor: Funktionsweise ( four stroke engine ) 1.Ansaugtakt 2.Verdichtungstakt 3.Arbeitstakt 4.Auspufftakt

38 4 stroke engine: functioning ( four stroke engine ) 1.intake or induction stroke 2.compression stroke 3.power stroke 4.exhaust stroke

39 Zweitaktmotor: Merkmale ( two stroke engine ) Überströmkanal Ventile -> Kanäle Zwei Takte: 1. Arbeitstakt 2. Spülen, Befüllen, Verdichten Ausströmkanal

40 two stroke engine: characteristics two strokes: 1. Working cycle 2. flushing, filling, compression exhaust port valves -> ports transfer port

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

42 Two stroke engine: how does it work description

43 Zweitaktmotor Treibstoff: Benzin-Öl-Gemisch Treibstoff: Benzin-Öl-Gemisch Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge,... Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge,... Nachteile: - keine vollständige Verbrennung des Treibstoffs - laut Nachteile: - keine vollständige Verbrennung des Treibstoffs - laut

44 two stroke engine fuel: petrol-oil-mixture fuel: petrol-oil-mixture application: lawnmower, gas chain saw,... application: lawnmower, gas chain saw,... disadvantages: - inefficient burning (fuel) - noisy disadvantages: - inefficient burning (fuel) - noisy

45 Benzinmotor - Dieselmotor Ottomotor: Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird mit Zündkerze zur Explosion gebracht Ottomotor: Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird mit Zündkerze zur Explosion gebracht Dieselmotor: Luft wird angesaugt und im Zylinder verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Entzündung und dann zur Verbrennung. Dieselmotor: Luft wird angesaugt und im Zylinder verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Entzündung und dann zur Verbrennung. Dieselmotor: Einspritzpumpe statt Zündkerze Dieselmotor: Einspritzpumpe statt Zündkerze

46 Petrol engine – diesel engine Otto engine: compressed fuel/air mixture is ignited by a spark plug -> explosion Otto engine: compressed fuel/air mixture is ignited by a spark plug -> explosion diesel engine: air is sucked in and is compressed in cylinder. Finally the air has the ignition temperature of the fuel (diesel). The fuel injection causes an ignition and finally a combustion. diesel engine: air is sucked in and is compressed in cylinder. Finally the air has the ignition temperature of the fuel (diesel). The fuel injection causes an ignition and finally a combustion. diesel engine: no spark plug but an injection pump diesel engine: no spark plug but an injection pump

47 p*V hat die Dimension der Arbeit p*V hat die Dimension der Arbeit Rechenmethode: Integrieren p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

48 p*V has the same dimension as work (power) p*V has the same dimension as work (power) area calculation: integrate p-V-diagram of combustion engines

49 Das Integral Integrieren: Flächenberechnung unter einer Kurve

50 p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

51

52

53 zur Verfügung stehende Arbeit

54 p-V-Diagramm - Wirkungsgrad η1η1 η2η2 <

55 p-V-Diagramm - Carnotprozess idealisierter Kreisprozess

56 Wärmepumpe Funktionsweise nimationen/kreislauf.php -> Kältemittel

57 Wärmepumpe Bestandteile Verdampfer Verdichter Verflüssiger Expansionventil Umwälzpumpe nimationen/kreislauf.php

58 heat pump parts evaporator compressor condenser expansion valve circulation pump nimationen/kreislauf.php


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