Physik1. Physik der Wärme. WS 15/16 1. Sem. B.Sc. Oec. und B.Sc. CH

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2 3 Physik1. Physik der Wärme. WS 15/16 1. Sem. B.Sc. Oec. und B.Sc. CH

3 Physik Wärme 5 Themen Begriffsklärung Anwendungen Temperaturskalen Modellvorstellung Wärmeausdehnung Thermische Ausdehnung Phasenübergänge

4 Physik Wärme Definition 6 Was ist Wärme? (SP) Warme Gegenstände strahlen Wärme ab oder fühlen sich warm an Was unterscheidet Warm von Kalt? Wärmeempfinden des menschlichen Körpers Vergleich der Wärme unserer Haut mit der Wärme des Gegenstands (z.b. Fläschchen für Säuglinge) Vergleich der Wärme von Gegenständen untereinander ohne den menschlichen Wärmesinn 8 Kältekörperchen 9 Wärmekörperchen Quelle: haut_carina/bilder_haut/blockbild_haut.jpg

5 Physik Wärme Definition 8 Erzeugung von Wärme Durch Energiezufuhr lässt sich Wärme erzeugen elektrischer Strom (Praktikumsversuche WGR, WID, VIS) Verbrennungsprozesse Reibung Wärme muss eine Energieform sein!

6 Physik Wärme Definition 9 Wärmetransport durch (SP) Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung

7 Physik Wärme Definition 11 Anwendungen (1/7)

8 Physik Wärme Definition 12 Anwendungen (2/7)

9 Physik Wärme Definition 13 Anwendungen (3/7)

10 Physik Wärme Definition 14 Anwendungen (4/7)

11 Physik Wärme Definition 15 Anwendungen (5/7)

12 Physik Wärme Definition 16 Anwendungen (6/7)

13 Physik Wärme Definition 17 Anwendungen (7/7) Industrielle Anwendungen Destillation Vakuumdampfdestillation Ultrahocherhitzen Gefriertrocknen Pasteurisieren Sterilisieren

14 Physik Wärme 18 TEMPERATURSKALEN

15 Physik Wärme Definition 19 Messung von Wärme Einführung der Maßeinheit Temperatur zur Messung von Wärmedifferenzen Zwei Gegenstände besitzen die gleiche Wärme, wenn sie die gleiche Temperatur haben (Thermisches Gleichgewicht) Temperatur messen: Thermisches Gleichgewicht zwischen Gegenstand und Thermometer herstellen

16 Physik Wärme Temperatur 20 Gleiche Temperatur verschiedene Skalen 3 Temperaturskalen Kelvinskala (Lord Kelvin, ) SI-Einheit 0 K = absoluter Nullpunkt keine niedrigere Temperatur möglich 273,15 K = Gefrierpunkt von Wasser Celsiusskala [ C] (Anders Celsius, ) 0 C = Gefrierpunkt von Wasser 100 C = Siedepunkt von Wasser Temperaturänderungen: 1 C = 1 K Fahrenheitskala [ F] (Gabriel Daniel Fahrenheit, ) 0 F = -18 C 212 F = 100 C Üblich in England, USA keine wissenschaftliche Bedeutung

17 Physik Wärme Ausdehnung 21 Umrechnung von C in K Rechnen Sie die Temperatur T = 100ºC in Kelvin um Rechnen Sie die Temperatur T = 300 K in Grad Celsius um Rechnen Sie die Temperaturdifferenz T = 20ºC in Kelvin um

18 Physik Wärme 22 PHYSIKALISCHE MODELLVORSTELLUNG

19 Physik Wärme Ausdehnung 23 Was passiert dabei physikalisch? Modellvorstellung Kugelmodell Atome / Moleküle = feste, kugelförmige Teilchen Absoluter Nullpunkt (T0 = 0 K) Teilchen führen keine Schwingungen aus kein Abstand zwischen den Teilchen Höhere Temperaturen (T > T0) Teilchen führen Schwingungen aus vergrößert die Abstände zwischen den Teilchen Größe der Abstände ist materialabhängig Je höher die Temperatur, desto stärker sind die Schwingungen T 0 = 0 K T > T 0

20 Physik Wärme 24 THERMISCHE AUSDEHNUNG FESTKÖRPER

21 Physik Wärme Ausdehnung 25 Thermische Ausdehnung (1/2) (SP) Längenänderung mit L L T Längenänderung in m Länge des Körpers in m Längenausdehnungskoeffizient in Temperaturdifferenz in K K Quelle: HALLIDAY, Abb Bei Festkörpern anwendbar Materialkonstante

22 Physik Wärme Ausdehnung 27 Thermische Ausdehnung (2/2) (SP) Volumenänderung von Festkörpern mit V V T Volumenänderung in m 3 Volumen des Körpers in m Längenausdehnungskoeffizient in Temperaturdifferenz in K K

23 Physik Wärme Ausdehnung 29 Längenausdehnungskoeffizienten in 10-6 /K Aluminium 23,8 Chromstahl 10,0 Invarstahl 1,5 Kupfer 16,5 Polyethylen 200 Normalglas 16 III 8,2 Porzellan 3-4 Pyrex 3,3 Quarzglas 0,45

24 Physik Wärme Ausdehnung 30 Aufgabe Jenaer Glas (SP) Um wie viel Prozent verändert sich der Durchmesser einer Jenaer Glasschüssel ( = 8, /K), wenn sie um 250 K erhitzt wird?

25 Physik Wärme Ausdehnung 31 Lösung Jenaer Glas (SP)

26 Physik Wärme Ausdehnung 33 Aufgabe Bimetallstreifen Ein Bimetallstreifen (Oberseite Messing, = /K, Unterseite Stahl = /K) von 10 cm Länge wird erwärmt. Wie groß ist der Unterschied in der Längenausdehnung pro Kelvin Temperaturerhöhung? Was bewirkt diese unterschiedliche Längenausdehnung?

27 Physik Wärme Ausdehnung 34 Lösung Bimetallstreifen (SP) Der Bimetallstreifen verbiegt sich bei Temperaturerhöhung in Richtung des Stahlstreifens Temperaturerniedrigung in Richtung des Messingsstreifens Anwendung: Temperaturregelung in Öfen, Bügeleisen

28 Physik Wärme 36 THERMISCHE AUSDEHNUNG FLÜSSIGKEITEN

29 Physik Wärme Ausdehnung 37 Thermische Ausdehnung (SP) Volumenänderung von Flüssigkeiten mit V V 0 T Volumenänderung in m Anfangsvolumen des Körpers in Volumenausdehnungskoeffizient in Temperaturdifferenz in K 3 m K

30 Physik Wärme Ausdehnung 39 Längenausdehnungskoeffizienten in 10-5 /K Ethanol 110 Wasser 20,7 Ameisensäure 102 Olivenöl 72 Petroleum 96 Benzin 106 Glycerin 47

31 Physik Wärme Ausdehnung 40 Aufgabe Tank (1/2) Ein Tank wird bei einer Temperatur T = 5ºC mit L Olivenöl ( = 7, /K) gefüllt. Wie verändert sich das Volumen, wenn die Temperatur auf 25ºC steigt?

32 Physik Wärme Ausdehnung 41 Lösung Tank (SP) Durch die Temperaturerhöhung vergrößert sich das Volumen der gelagerten Flüssigkeit. Die temperaturbedingte Volumenänderung V/V beträgt 1,44%! Beim Ein- bzw. Verkauf von Flüssigkeiten auf deren Temperatur achten!

33 Physik Wärme 43 WÄRMEENERGIE

34 Physik Wärme Wärmeenergie 44 Die Energieform Wärme Festkörper und Flüssigkeiten Übertragung einer Wärmemenge Q führt zur Temperaturerhöhung T Q = konst T konst Produkt aus spezifischer Wärme c (materialabhängig) Masse m Q = c m T Versuch WGR

35 Physik Wärme Wärmeenergie 45 Spezifische Wärme Einheit von c: J/(kg K) ( 0,239 cal/(kg K)) In der Ernährungswissenschaft häufig noch kcal! Beispiele Spez. Wärme c in J/(kg K) Kupfer 386 Aluminium 900 Glas 840 Eis (-10 C) Wasser Ethanol 2.430

36 Physik Wärme Wärmeenergie 46 Aufgabe Jenaer Glasschüssel (SP) Wie groß ist die Wärme Q, die in der Beispielaufgabe auf die Glasschüssel (c = 840 J/(kg K)) bei der Erwärmung um 250 K übertragen wird? Die Glasschüssel soll eine Masse m = 600 g haben.

37 Physik Wärme Wärmeenergie 48 Molare spezifische Wärme Bezug auf Mol (6, Atome, Avogadro- Zahl) statt auf die Masse Einheit: J/(mol K) molare spezifische Wärme hat andere Werte als spezifische Wärme spez. Wärme in J/(kg K) molare spez. Wärme in J/(mol K) Kupfer ,5

38 Physik Wärme 49 PHASENÜBERGÄNGE

39 Physik Wärme Phasenübergänge 50 Von 0 K auf - was Temperaturerhöhung bewirkt Jeder Stoff durchläuft bei Temperaturerhöhung verschiedene Phasen Plasma (nicht weiter betrachtet) Temperatur in K 0 Gas / Dampf Flüssigkeit Festkörper

40 Physik Wärme Phasenübergänge 51 Eigenschaften der Phasen Festkörper Kristalline Struktur bestimmte Gestalt Bindungskräfte zwischen den Teilchen (Hooke sches Gesetz) bestimmtes Volumen Flüssigkeit Bindungskräfte zwischen den Teilchen (kleiner als bei Festkörper!) bestimmtes Volumen Gas --

41 Physik Wärme Phasenübergänge 52 Phasen eines Stoffs Gas / Dampf Tripelpunkt erstarren schmelzen

42 Physik Wärme Phasenübergänge 53 Phasenübergänge Der Wechsel von einer Phase in eine andere wird als Phasenübergang bezeichnet Im Tripelpunkt befinden sich alle drei Phasen im Gleichgewicht Die Temperaturen bei denen der Phasenübergang stattfindet, sind stoffspezifisch Schmelzpunkt in K Siedepunkt in K Wasser Sauerstoff Kupfer

43 Physik Wärme Phasenübergänge 54 Latente Wärme (1/2) Beim Übergang eines Stoffs von einer Phase in die andere wird Energie frei oder benötigt Diese Energie heißt latente Wärme Latente Wärme wird vom Stoff aus der Umwelt aufgenommen bei den Phasenübergängen schmelzen (fest flüssig) verdampfen (flüssig gasförmig) sublimieren (fest gasförmig) Latente Wärme wird vom Stoff an die Umwelt abgegeben bei den Phasenübergängen kondensieren (gasförmig flüssig) gefrieren (flüssig fest) resublimieren (gasförmig fest)

44 55 Anwendungsbeispiele Quelle: Wikipedia Quelle: Winter

45 Physik Wärme Phasenübergänge 56 Latente Wärme (2/2) (SP) Die latente Wärme für schmelzen, gefrieren: Schmelzwärme s verdampfen, kondensieren: Verdampfungswärme r Beispiele spez. Schmelzwärme s in kj/kg spez. Verdampfungswärme r in kj/kg Wasser Sauerstoff Kupfer Es gilt: Die Verdampfungswärme r ist bei den meisten Stoffen um ein Vielfaches größer als die Schmelzwärme s

46 Physik Wärme Phasenübergänge 58 Phasenübergänge für 1 kg Wasser Wärmemenge Q in kj Temperatur T in C

47 Physik Wärme Phasenübergänge 59 Aufgabe Wasser kochen Wie viel Wärme wird benötigt, um 1 Liter Wasser mit einer Temperatur von -10 C zum Kochen zu bringen und vollständig zu verdampfen? Fünf Rechenschritte erforderlich: Energie berechnen für 1. Eis erwärmen 2. Eis schmelzen 3. Wasser erwärmen bis zum Siedepunkt 4. Wasser am Siedepunkt verdampfen 5. Gesamtwärmebedarf aufsummieren

48 Physik Wärme Phasenübergänge 60 Lösung Wasser kochen (SP) 1. Wärmebedarf für das Erwärmen des Eises 2. Wärmebedarf für das Schmelzen des Eises 3. Wärmebedarf für das Erwärmen des Wassers bis zum Sieden 4. Wärmebedarf für das Verdampfen 5. Gesamtwärmebedarf

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