Thermodynamik Buch, Sexl ab Seite 3.

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1 Thermodynamik Buch, Sexl ab Seite 3

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

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

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

5 Thermometerarten Bimetall elektrisch/elektronisch

6 Thermometerarten Flüssigkeits- thermometer Infrarotthermometer

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

8 Temperaturenskalen Daniel Gabriel Fahrenheit
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 3. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden Menschen 96 °F Umrechnung: F = °Cx1.8+32

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

10 Temperatur-Volumsänderung
bei V0 = 50 cm3 Spiritus Steigung k = ΔV/ΔT Volumsänderung ΔV [cm3] ΔV/ΔT ~V0 ΔV d.h. ΔV/ΔT =γV0 γ: Volumen-ausdehnungskoeffizient ΔT Wasser Temperaturänderung ΔT [K]

11 Volumen 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

12 Längenänderung nach Temperaturänderung
V = V0 + ΔV = V0 +γV0 ΔT Analogie: l = l0 +αl0 ΔT α Längenausdehnungskoeffizient α gibt die Längenzunahme eines 1 m langen Körpers bei Erwärmung um 1K an Rechenbeispiele im Buch: S 10/11

13 Wärmephänomene Diffusion Wärmetransport: Wärmeströmung Wärmeleitung
Wärmestrahlung

14 Diffusion Beispiel: Teebeutel im Wasser
Durchmischung durch thermische Bewegung

15 Wärmetransport: Wärmeströmung
Wärmeströmung: Beispiel1: Raumlufttemperatur -> 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
Ursache: Bau des Wassermolküls -> höhere Dichte Eis schwimmt im Wasser Ursache: Aufbau der Kristalle -> geringere Dichte 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
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
Edelgase kommen dem idealen Gas nahe Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist ideal Beispiel: Gase in Verbrennungsmaschinen

25 Zustandsgrößen idealer Gase
DRUCK TEMPERATUR 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 = NL * k NL ... Loschmidt‘sche 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 Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung)

31 Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung)
Zustandsänderungen: (change of state) isobar isochor isotherm adiabatisch

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

33 Wärmekraftmaschinen (heat engines)
... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit) ... sind Systeme, durch die Energie fließt Motoren: verrichten Arbeit (do work) 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 Zylinder Ventile Kolben Pleuelstange
Kurbelwelle

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

37 Viertaktmotor: Funktionsweise (four stroke engine)
Ansaugtakt Verdichtungstakt Arbeitstakt Auspufftakt

38 4 stroke engine: functioning (four stroke engine)
intake or induction stroke compression stroke power stroke exhaust stroke

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

40 two stroke engine: characteristics
two strokes: exhaust port 1. Working cycle 2. flushing, filling, compression 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
Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge, ... Nachteile: - keine vollständige Verbrennung des Treibstoffs - laut

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

45 Benzinmotor - Dieselmotor
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: Einspritzpumpe statt Zündkerze

46 Petrol engine – diesel engine
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: no spark plug but an injection pump

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

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

49 Das Integral Integrieren: Flächenberechnung unter einer Kurve

50 p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

51 p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

52 p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

53 p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren
zur Verfügung stehende Arbeit

54 p-V-Diagramm - Wirkungsgrad
η1 < η2

55 p-V-Diagramm - Carnotprozess
idealisierter Kreisprozess

56 Wärmepumpe Funktionsweise -> Kältemittel

57 Wärmepumpe Bestandteile Verdampfer Verdichter Verflüssiger
Expansionventil Umwälzpumpe

58 heat pump parts evaporator compressor condenser expansion valve
circulation pump