10. Thermodynamik - · PDF file 10. Thermodynamik Doris Samm FH Aachen Physik für E-Techniker 10. Thermodynamik • 10.5 Wärmetransport • 10.5.1 Wärmeleitung • 10.5.2 Konvektion

10. Thermodynamik

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Physik für E-Techniker

10. Thermodynamik

• 10.5 Wärmetransport

• 10.5.1 Wärmeleitung

• 10.5.2 Konvektion

• 10.5.3 Wärmestrahlung

• 10.5.4 Der Treibhauseffekt

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10.5 Wärmetransport Man unterscheidet:

Wärmeleitung Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen

Konvektion Wärmeübertragung durch Stofftransport Strahlung Emission/Absorption elektromagnetischer

Strahlung

Wärmeleitung

λ

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10.5.1 Wärmeleitung ist Konsequenz der kinetischen Energie

- Am heißen Ende schwingen Atome/Moleküle schneller - Durch Stöße wird Energie auf kalte Atome übertragen - Kalte Atome werden wärmer, T gleicht sich an.

A: Fläche (TH – TK)/d : Temperaturgradient λ: Wärmeleitfähigkeit

Wärme dQ, die in Zeit dT übertragen wird = Wärmestrom H

Allgemein gilt: mit Wärmeleitwiderstand

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Beispiel: Eine Holztür soll in eine Betonwand (d=25cm) eingebaut werden. Welche Dicke muss die Holztür haben, damit der Wärmeverlust gleich bleibt?

Gilt:

Mit:

409

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10.5.2 Konvektion

= Wärmetransport durch Massentransport

Beispiele: Heißwassersystem, Kühlsystem eines Motors, Blutkreislauf

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10.5.3 Wärmestrahlung

= Temperaturstrahlung = elektromagnetische Strahlung, die thermisch erzeugt wird. Ursache ist Temperatur des strahlenden Mediums

Zur quantitativen Beschreibung: Schwarzer Strahler - absorbiert vollständig auftreffende Fremdstrahlung

Absorptionsgrad α = 1

- hat maximale Strahlungsleistung (Energiestrom, Strahlungsfluss)

- erzeugte Strahlung hängt nur von Temperatur ab, nicht von Oberflächenbeschaffenheit

- kann durch Hohlraumstrahler praktisch realisiert werden

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Für Strahlungsdichte = Strahlungsleistung pro Wellenlängeneinheit in Halbraum emittierte Strahlung gilt:

k = 1,38 x 10-23 J/K (Boltzmannkonstante) h = 6,6262 x 10-34 Js Planck‘sches Wirkungsquantum

Strahlungsdichte für A = 1m2

- Spektrum ist kontinuierlich - für am stärksten abgestrahlte

Leistung gilt:

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Für die gesamte abgestrahlte Leistung gilt: Stefan-Boltzmann-Gesetz Mit:

Beispiel: Oberfläche der Haut eines menschlichen Körpers A=1,2 m2 Oberflächentemperatur der Haut ϑO = 30oC, Umgebungstemperatur ϑU = 20oC. Wie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung? (Hinweis: Mensch = schwarzer Körper)

Aber! Es gibt ebenfalls Absorption der Umgebungsstrahlung !!!

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Beispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß

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Aufgabe eines Kühlkörpers

- Wegleiten von Verlustwärme vom Bauelement

- Abgabe der Wärme durch - Wärmestrahlung und - Konvektion

an die Umgebung

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Frage: Warum ist Erde so warm? = 15oC

Frage: Wird Erde wärmer? Folgende Effekte spielen eine Rolle:

- Sonnenlicht liefert Strahlungsleistung ΦS Erde wird warm

- Aufgeheizte Erde gibt Strahlungsleistung ab gemäß

Im Gleichgewicht (und im Mittel) gilt:

T = konstant

Mittlere empfangene Strahlungsleistung ( mittlerer Abstand Erde-Sonne)

Solarkonstante S = 1353 W/m2

Der Treibhauseffekt

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Von der Erde absorbierte Strahlungsleistung

r = Reflexionsgrad = 30 %

Erde emittiert über die gesamte Oberfläche

Im Gleichgewicht gilt:

Berechnung der Erdtemperatur möglich

TE = 254 K = - 18oC !!!!!!!!!

Frage: Warum ist = + 15oC ????????

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Antwort: Es gibt natürlichen Treibhauseffekt

Es gilt: - Erdatmosphäre für ankommende Wärmestrahlung

nahezu vollständig durchlässig - Erdatmosphäre (N2, O2) für Wärmestrahlung nahezu

vollständig durchlässig

Aber!

Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung!

CO2 0,03 Vol % liefert + 7oC H2O liefert + 21oC O3, N2O4, CH4 liefern + 5oC

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