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10. Thermodynamik
Doris Samm FH Aachen
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
10. Thermodynamik
Doris Samm FH Aachen
Physik für E-Techniker
10.5 WärmetransportMan unterscheidet:
Wärmeleitung Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen
Konvektion Wärmeübertragung durch StofftransportStrahlung Emission/Absorption elektromagnetischer
Strahlung
Wärmeleitung
λ
10. Thermodynamik
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Physik für E-Techniker
10.5.1 Wärmeleitungist 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 : Temperaturgradientλ: Wärmeleitfähigkeit
Wärme dQ, die in Zeit dT übertragen wird = Wärmestrom H
Allgemein gilt:mit Wärmeleitwiderstand
10. Thermodynamik
Doris Samm FH Aachen
Physik für E-Techniker
Beispiel: Eine Holztür sollin eine Betonwand (d=25cm) eingebaut werden. Welche Dickemuss 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, nichtvon 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 JsPlanck‘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, UmgebungstemperaturϑU = 20oC. Wie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung?(Hinweis: Mensch = schwarzer Körper)
Aber! Es gibt ebenfalls Absorption der Umgebungsstrahlung !!!
10. Thermodynamik
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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? <ϑE> = 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)
SolarkonstanteS = 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 <ϑ> = + 15oC ????????
10. Thermodynamik
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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 + 7oCH2O liefert + 21oCO3, N2O4, CH4 liefern + 5oC
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Global averagesea level
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