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ThermodynamikThermodynamikBuch, Sexl ab Seite 3Buch, Sexl ab Seite 3
BegriffeBegriffe
Lehre von der WärmeLehre von der Wärme
Umwandlung von Wärme in andere EnergieformenUmwandlung von Wärme in andere Energieformen
Druck, Temperatur, VolumenDruck, Temperatur, Volumen
Temperatur und TeilchenbewegungTemperatur und Teilchenbewegung
Robert Brown (1773-1858), engl, BotanikerRobert Brown (1773-1858), engl, Botaniker-> Brown‘sche Molekularbewegung -> Brown‘sche Molekularbewegung
youtubeyoutube
Atome und Moleküle von Stoffen: ständige Atome und Moleküle von Stoffen: ständige ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur des Stoffesdes Stoffes
ThermometerartenThermometerarten
TestTest
FlüssigkeitsthermometerFlüssigkeitsthermometer
BimetallthermometerBimetallthermometer
elektrische/elektronische Thermometerelektrische/elektronische Thermometer
Infrarot-ThermometerInfrarot-Thermometer
ThermometerartenThermometerarten
Bimetall
elektrisch/elektronisch
ThermometerartenThermometerarten
Flüssigkeits-thermometer
Infrarotthermometer
TemperaturenskalenTemperaturenskalen
dänischer Astronom dänischer Astronom Olaf Rømer Olaf Rømer
erstes Thermometer erstes Thermometer
FixpunkteFixpunkte: : Gefrier- und Siedepunkt des Wassers Gefrier- und Siedepunkt des Wassers (7°, 60°)(7°, 60°)
1742: Anders 1742: Anders CelsiusCelsius (Schwede) (Schwede)
TemperaturenskalenTemperaturenskalen
Daniel Gabriel FahrenheitDaniel Gabriel Fahrenheit
1. Fixpunkt1. Fixpunkt: tiefste Temperatur des Winters in : tiefste Temperatur des Winters in Danzig 1708/09: Danzig 1708/09: -17,8°C-17,8°C(reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak-(reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak-Gemisch) Gemisch)
2. Fixpunkt2. Fixpunkt: Gefrierpunkt des Wassers : Gefrierpunkt des Wassers 32 °F32 °F
3. Fixpunkt3. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden : Körpertemperatur eines gesunden Menschen Menschen 96 °F96 °F
Umrechnung: Umrechnung: F = °Cx1.8+32 F = °Cx1.8+32
TemperaturenskalenTemperaturenskalen
Absolute Temperatur:Absolute Temperatur:
Einheit: Einheit: KelvinKelvin
Fixpunkt: Fixpunkt: 0 K ... -273 °C 0 K ... -273 °C ( (absoluter Nullpunktabsoluter Nullpunkt))
273 K ... 0 °C273 K ... 0 °C
Kelvineinheit = CelsiuseinheitKelvineinheit = Celsiuseinheit
Negative KelvingradeNegative Kelvingrade
Temperatur-VolumsänderungTemperatur-Volumsänderung
Spiritus
Wasser
ΔT
ΔV
bei V0 = 50 cm3
Steigung k = ΔV/ΔT
ΔV/ΔT ~V0
d.h. ΔV/ΔT =γV0
γ: Volumen-ausdehnungskoeffizient
Volumen nach TemperaturänderungVolumen 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 Längenänderung nach TemperaturänderungTemperaturänderung
V = V0 + ΔV = V0 +γV0 ΔT
α gibt die Längenzunahme eines 1 m langen Körpers bei Erwärmung um 1K an
Analogie:
l = l0 +αl0 ΔT
α Längenausdehnungskoeffizient
Rechenbeispiele im Buch: S 10/11
WärmephänomeneWärmephänomene
DiffusionDiffusion
Wärmetransport:Wärmetransport:
WärmeströmungWärmeströmung
WärmeleitungWärmeleitung
WärmestrahlungWärmestrahlung
DiffusionDiffusion
Beispiel: Teebeutel im WasserBeispiel: Teebeutel im Wasser
Durchmischung durch thermische Durchmischung durch thermische BewegungBewegung
Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung
Wärmeströmung:Wärmeströmung:
Beispiel1: Beispiel1: RaumlufttemperaturRaumlufttemperatur
-> Zirkulation (Konvektion)-> Zirkulation (Konvektion)
Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung
Beispiel2:Beispiel2: Zirkulation der Luft durch Zirkulation der Luft durch Wärmeströmung Wärmeströmung
Tag:
Meer - Land
Nacht:
Land - Meer
Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung
Beispiel3: Beispiel3: Erdinneres (Konvektion)Erdinneres (Konvektion)
Wärmetransport: WärmeströmungWärmetransport: Wärmeströmung
Beispiel4: Beispiel4: AufwindeAufwinde
Beispiel5:Beispiel5: große Windsysteme auf der Erde große Windsysteme auf der Erde
Beispiel6:Beispiel6: Golfstrom Golfstrom
Anomalie des WassersAnomalie des Wassers
0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab
Ursache: Bau des Wassermolküls -> höhere DichteUrsache: Bau des Wassermolküls -> höhere Dichte
Eis Eis schwimmt schwimmt im Wasserim Wasser
Ursache: Aufbau der Kristalle -> geringere DichteUrsache: Aufbau der Kristalle -> geringere Dichte
Bedeutung für die NaturBedeutung für die Natur
EisbergeEisberge
Wärmetransport: WärmeleitungWärmetransport: Wärmeleitung
Wärmeleitung: gute/schlechte WärmeleiterWärmeleitung: gute/schlechte Wärmeleiter
gute: gute: MetalleMetalle
schlechte: schlechte: Holz, Kork,...Holz, Kork,...
Beispiel1: Beispiel1: Griffe bei KochgeschirrGriffe bei Kochgeschirr
Beispiel2: Beispiel2: Wärmedämmung (Haus)Wärmedämmung (Haus)
Gibt es Kälteleitung?Gibt es Kälteleitung?
Wärmetransport: WärmestrahlungWärmetransport: Wärmestrahlung
Wärmestrahlung: Wärmestrahlung: elektromagnetische Strahlungelektromagnetische Strahlung
InfrarotInfrarot
für unsere Augen für unsere Augen unsichtbarunsichtbar
Infrarotsensoren: Wärmebildkamera, SchlangenInfrarotsensoren: Wärmebildkamera, Schlangen
Schlangen nehmen Beutetiere wie Wärme-bildkameras wahr
Das ideale Gas Das ideale Gas
Modell -> mathematisch-physikalisch beschreibbarModell -> mathematisch-physikalisch beschreibbar
IDEALES GASIDEALES GAS::
- Teilchen (Moleküle) haben - Teilchen (Moleküle) haben kinetische Energie kinetische Energie (Wärme)(Wärme)
-Teilchen sind Teilchen sind materielle Punkte materielle Punkte (kein Volumen)(kein Volumen)
-Keine Kräfte Keine Kräfte (Van der Waals) zwischen den Teilchen(Van der Waals) zwischen den Teilchend.h. große Abständed.h. große Abstände
- Moleküle üben - Moleküle üben elastische Stöße elastische Stöße ausaus (Druck: Stöße auf Gefäßwand) (Druck: Stöße auf Gefäßwand)
reales - ideales Gas reales - ideales Gas
in Natur: reales Gasin Natur: reales Gas
Edelgase kommen dem idealen Gas naheEdelgase kommen dem idealen Gas nahe
Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist idealGas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist ideal
Beispiel: Gase in VerbrennungsmaschinenBeispiel: Gase in Verbrennungsmaschinen
Zustandsgrößen idealer Gase Zustandsgrößen idealer Gase
1.1. DRUCKDRUCK
2.2. TEMPERATURTEMPERATUR
3.3. VOLUMENVOLUMEN
4. (ENERGIE)4. (ENERGIE)
Zustandsgleichung idealer Gase Zustandsgleichung idealer Gase
p V = n R Tp V = n R T
p ... DruckV ... Volumenn ... MolanzahlR ... 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 GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)
3D-Fläche
Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)
3 Achsen:
p, V, T
Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)
Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)
Zustandsgrößen idealer GaseZustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) (Darstellung)
Zustandsänderungen:(change of state)
isobarisochorisothermadiabatisch
WärmekraftmaschinenWärmekraftmaschinen(heat engines)(heat engines)
... sind periodisch arbeitende Maschinen... sind periodisch arbeitende Maschinen
... sie transportieren Wärme zwischen zwei ... sie transportieren Wärme zwischen zwei Wärmebehältern mit unterschiedlichen TemperaturenWärmebehältern mit unterschiedlichen Temperaturen
TH > TC
WärmekraftmaschinenWärmekraftmaschinen(heat engines)(heat engines)
... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit) ... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit)
... sind Systeme, durch die Energie fließt... sind Systeme, durch die Energie fließt
MotorenMotoren: verrichten Arbeit : verrichten Arbeit (do work)(do work)
WärmepumpenWärmepumpen (heatpumps)(heatpumps): transportieren Wärme : transportieren Wärme
VerbrennungsmotorenVerbrennungsmotoren(combustions engines)(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 - AufbauOttomotor - Aufbau
Zündkerze
Ventile
Kolben
Pleuelstange
Kurbelwelle
Zylinder
Ottomotor – motor structureOttomotor – motor structure
spark plug
valves
piston
connecting rod
crankshaft
cylinder
Viertaktmotor: FunktionsweiseViertaktmotor: Funktionsweise((four stroke enginefour stroke engine))
1.1. AnsaugtaktAnsaugtakt
2.2. VerdichtungstaktVerdichtungstakt
3.3. ArbeitstaktArbeitstakt
4.4. AuspufftaktAuspufftakt
4 stroke engine: functioning4 stroke engine: functioning((four stroke enginefour stroke engine))
1.1. intake or induction strokeintake or induction stroke
2.2. compression strokecompression stroke
3.3. power strokepower stroke
4.4. exhaust strokeexhaust stroke
Zweitaktmotor: MerkmaleZweitaktmotor: Merkmale((two stroke enginetwo stroke engine))
Überströmkanal
Ventile -> Kanäle
Zwei Takte:
1. Arbeitstakt2. Spülen, Befüllen, Verdichten
Ausströmkanal
two stroke engine: characteristicstwo stroke engine: characteristics
two strokes:1. Working cycle2. flushing, filling, compression
exhaust port
valves -> ports
transfer port
Zweitaktmotor: FunktionweiseZweitaktmotor: Funktionweise((two stroke engine – how does it worktwo stroke engine – how does it work))
http://www.youtube.com/watch?v=ooJYsOz1z7Y
Two stroke engine: how does it workTwo stroke engine: how does it work
description
ZweitaktmotorZweitaktmotor
Treibstoff: Benzin-Öl-GemischTreibstoff: Benzin-Öl-Gemisch
Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge, ...Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge, ...
Nachteile: Nachteile: -- keine vollständige Verbrennung des Treibstoffskeine vollständige Verbrennung des Treibstoffs
-- laut laut
two stroke enginetwo stroke engine
fuel: petrol-oil-mixturefuel: petrol-oil-mixture
application: lawnmower, gas chain saw, ...application: lawnmower, gas chain saw, ...
disadvantages: disadvantages: -- inefficient burning (fuel)inefficient burning (fuel)
-- noisy noisy
Benzinmotor - DieselmotorBenzinmotor - Dieselmotor
OttomotorOttomotor: Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird : Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird mit Zündkerze zur Explosion gebrachtmit Zündkerze zur Explosion gebracht
DieselmotorDieselmotor: Luft wird angesaugt und im Zylinder : Luft wird angesaugt und im Zylinder verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Entzündung und dann zur Verbrennung.Entzündung und dann zur Verbrennung.
DieselmotorDieselmotor: Einspritzpumpe statt Zündkerze: Einspritzpumpe statt Zündkerze
Petrol engine – diesel enginePetrol engine – diesel engine
Otto engineOtto engine: compressed fuel/air mixture is ignited : compressed fuel/air mixture is ignited by a spark plug -> explosion by a spark plug -> explosion
diesel enginediesel engine: air is sucked in and is compressed : air is sucked in and is compressed in cylinder. Finally the air has the ignition in cylinder. Finally the air has the ignition temperature of the fuel (diesel). The fuel injection temperature of the fuel (diesel). The fuel injection causes an ignition and finally a combustion.causes an ignition and finally a combustion.
diesel enginediesel engine: no spark plug but an injection pump: no spark plug but an injection pump
p*V hat die Dimension der Arbeit p*V hat die Dimension der Arbeit
Rechenmethode: Integrieren
p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren
p*V has the same dimension as work (power)p*V has the same dimension as work (power)
area calculation:integrate
p-V-diagram p-V-diagram of combustion engines of combustion engines
Das IntegralDas Integral
Integrieren: Flächenberechnung unter einer Kurve
p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren
p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren
p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren
p-V-Diagramm von p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren
zur Verfügung stehende Arbeit
zur Verfügung stehende Arbeit
p-V-Diagramm - Wirkungsgradp-V-Diagramm - Wirkungsgrad
η1 η2<
p-V-Diagramm - Carnotprozessp-V-Diagramm - Carnotprozess
idealisierter Kreisprozess
WärmepumpeWärmepumpe
Funktionsweise
http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php
-> Kältemittel
WärmepumpeWärmepumpe
Bestandteile
Verdampfer
Verdichter
Verflüssiger
Expansionventil
Umwälzpumpe
http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php
heat pumpheat pump
parts
evaporator
compressor
condenser
expansion valve
circulation pump
http://www.dimplex.de/animationen/kreislauf.php