Thermodynamik Buch, Sexl ab Seite 3

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

Temperatur und Teilchenbewegung Robert Brown (1773-1858), engl, Botaniker -> Brown‘sche Molekularbewegung youtube Atome und Moleküle von Stoffen: ständige ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur des Stoffes

Thermometerarten Test Flüssigkeitsthermometer Bimetallthermometer elektrische/elektronische Thermometer Infrarot-Thermometer

Thermometerarten Bimetall elektrisch/elektronisch

Thermometerarten Flüssigkeits- thermometer Infrarotthermometer

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

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

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

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]

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

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

Wärmephänomene Diffusion Wärmetransport: Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmestrahlung

Diffusion Beispiel: Teebeutel im Wasser Durchmischung durch thermische Bewegung

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

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

Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel3: Erdinneres (Konvektion)

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

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

Eisberge

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

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

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)

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

Zustandsgrößen idealer Gase DRUCK TEMPERATUR VOLUMEN 4. (ENERGIE)

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 (1,38 10-23 J K-1

Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung) 3D-Fläche

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

Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung)

Zustandsgrößen idealer Gase (Darstellung)

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

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

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

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.

Ottomotor - Aufbau Zündkerze Zylinder Ventile Kolben Pleuelstange Kurbelwelle

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

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

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

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

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

Zweitaktmotor: Funktionweise (two stroke engine – how does it work) http://www.youtube.com/watch?v=ooJYsOz1z7Y

Two stroke engine: how does it work description

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

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

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

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

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

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

Das Integral Integrieren: Flächenberechnung unter einer Kurve

p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren

p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren zur Verfügung stehende Arbeit

p-V-Diagramm - Wirkungsgrad η1 < η2

p-V-Diagramm - Carnotprozess idealisierter Kreisprozess

Wärmepumpe Funktionsweise -> Kältemittel http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php

Wärmepumpe Bestandteile Verdampfer Verdichter Verflüssiger Expansionventil Umwälzpumpe http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php

heat pump parts evaporator compressor condenser expansion valve circulation pump http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php