Energieumwandlung Strahlungsenergie der Sonne

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1 Energieumwandlung Strahlungsenergie der Sonne Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt werden! elektrische Energie Beispiel für eine Energieumwandlungskette Wärmeenergie Bewegungsenergie der Wasserteilchen Energieumwandlung Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt werden! Beispiel für eine Energieumwandlungskette 1

2 Der Wirkungsgrad Wirkungsgrad Bei der Energieumwandlung wird Energie nicht vollständig von einer Energieform in eine andere Form ungewandelt. Es kommt häufig zu einer Umwandlung in eine gewünschte Energieform (Nutzenergie) und in unerwünschte Energie. eingesetzte Energie Nutzenergie unerwünschte Energie Der Wirkungsgrad zeigt das Verhältnis der Nutzenergie zur eingesetzten Energie. Wirkungsgrad = 100 Nutzenergie eingesetzte Energie Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad bei einem Verbrennungsmotor In einem Verbrennungsmotor wird chemische Energie in mechanische Energie und Wärmeenergie umgewandelt. Nur die mechanische Energie dient der Fortbewegung (Nutzenergie). Die Wärmeenergie ist ein unerwünschtes Nebenprodukt. chemische Energie des Treibstoffs mechanische Energie Wärmeenergie 5 % 65 % Ein Benzinmotor wandelt die im Treibstoff gespeicherte chemische Energie nur zu etwa 5 % in mechanische Energie um. Sein Wirkungsgrad beträgt daher 5 %. 2

3 Aggregatzustände Aggregatzustände Beschreibung durch mikroskopisches Modell Wärme spielt auch bei den Aggregatzuständen eine wichtige Rolle Aggregatzustandsübergänge

4 Aggregatzustände Wärme spielt auch bei den Aggregatzuständen eine Rolle. Wasser existiert als Eis, in flüssiger Form und als Wasserdampf. Beispiele aus dem Alltag Schmelzen: Eis aus Kühlschrank, wird flüssig (Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur) Sublimieren: feuchte Wäsche bei Frost aufhängen; trocknet obwohl gefroren (Eis geht direkt in den gasförmigen Zustand über) Erstarren: abkühlen von Wasser; einzelne Eiskristalle werden immer größer, Wasser wird zu kompakten Masse aus Eis 4

5 Verdampfen: erhitzen von Wasser bis zu Siedetemperatur; Wasser verdampft, es sprudelt wegen Dampfblasen Resublimieren: Windschutzscheibe im Winter; Luftfeuchtigkeit aus der Luft gefriert an der Scheibe Kondensieren: durch Abkühlen entstehen aus gasförmigem Wasserdampf kleine Wassertröpfchen Bei den Phasenübergängen muss Energie zugeführt werden bzw. wird Energie frei. Für 1 kg Wasser sind in dem folgenden Diagramm die wichtigen Energie angegeben. 5

6 Verdampfungswärme Zum Verdampfen von 1 g Wasser sind 2260 J nötig. Man sagt die spezifische Verdampfungswärme ist 2260 J/g. b) Ein Mensch kann in trockener Luft Temperaturen bis zu 60 C ertragen, ohne dabei Schaden zu nehmen. In Wasser von gleicher Temperatur würde er Verbrühungen davon tragen. Warum ist das so? Bei hoher Luftfeuchtigkeit schwitzt der Mensch und von der Hautoberfläche verdunstet Schweiß. Dabei wird durch Entzug von Verdampfungswärme die Körpertemperatur herabgesetzt, eine lebensgefährliche Erhöhung der Körpertemperatur verhindert und die Haut vor Brandverletzungen geschützt. Im warmen Wasser dagegen kann keine Verdunstung und damit keine Erniedrigung der Hauttemperatur erfolgen. An der Körperoberfläche treten Verbrühungen auf. Anomalie des Wassers 0 C < T < 4 C: Dichte 4 < T < 100 C: Dichte Wasser hat bei einer Temperatur von 4 C die größte Dichte Was ist die Folge? Teich, See 6

7 Stoffumwandlung fester Zustand 2 flüssiger Zustand gasförmiger Zustand 4 Schmelzpunkt 11 6 schmelzen 9 erstarren 7 verdampfen 10 kondensieren 8 sublimieren 11 kondensieren 5 Siedepunkt Stoffumwandlung

8 Der Weg zur Dampfmaschine des James Watt Ideen aus der Zeit der Griechen: Der griechische Gelehrte Heron von Alexandria, der im ersten Jahrhundert n.chr. gelebt haben muss, hatte einige raffinierte Ideen, wie mit Wärme eine Maschine angetrieben werden könnte. Seine Maschinen und Apparate setzten sich durch Luft- oder Dampfdruck in Bewegung. Eine seiner berühmtesten Erfindung war die automatische Öffnung einer Tempeltür: Entzündete man auf einem Altar vor dem Tempel ein Opferfeuer, so öffnete sich die Tempeltür. 8

9 Der Weg zur industriellen Revolution Erst im 16. Jahrhundert wurden die Ideen von Heron wiederentdeckt. Verschiedene Konstrukteure erfanden Maschinen, die wenig Arbeit bei enormem Feueraufwand verrichten konnten. Dabei baute der eine auf dem Werk des andern auf. Der Engländer Thomas Newcomen ( ) konstruierte eine Dampfmaschine, die gerade ein Prozent der Energie, die man in Form von Wärme hineinsteckte, in Arbeit umwandelte eine miserable Ausbeute, und dennoch das Beste, was es damals gab. Am 5. Januar 1769 erhielt der schottische Mechaniker James Watt das Patent für seine Dampfmaschine. Sie erreichte eine viel bessere Ausbeute als alles bisher Erfundene. Diese Maschine löste einen wahren Boom aus und machte menschliche Arbeitskräfte ersetzbar. Die industrielle Revolution nahm ihren Anfang. Noch bis ins 20. Jahrhundert blieben Dampfmaschinen nach dem Prinzip von James Watt konkurrenzlos. Und selbst die Benzinmotoren von heute können ihre Verwandtschaft zur Dampfmaschine nicht verbergen. Mit der Dampfmaschine schossen Industriebetriebe aus dem Boden und die Wasserkraft als Antrieb für Webstühle wurde ersetzbar. Diese Erfindung markiert einen Meilenstein in der Geschichte der Menschheit. Und erstmals konnte eine Maschine auch sich selber transportieren, mobile Maschinen konnten nun gebaut werden. 9

10 Und so funktioniert die Dampfmaschine nach James Watt: Heisser Frischdampf wird aus einem Dampfkessel der Maschine zugeführt. Ein kleiner Steuerkolben lässt Dampf nur auf die linke Seite des (grösseren) Arbeitskolbens strömen (s. Abb). Dadurch wird dieser auf die rechte Seite gedrückt und versetzt ein Schwungrad in Bewegung. Der Steuerkolben, der ebenfalls mit dem Schwungrad verbunden ist, klemmt die Dampfzufuhr zum Arbeitskolben ab und öffnet die Dampfzufuhr auf die rechte Seite des Arbeitskolbens, wodurch sich dieser wieder nach links bewegt. Das Ganze läuft dauernd so weiter. Anzumerken ist noch, dass durch den Steuerkolben jeweils in dem Moment, in welchem z.b. rechts die Dampfzufuhr geöffnet wird, links ein Kanal öffnet, durch den der sich noch im linken Teil befindliche Dampf nach aussen entweichen kann. Dieser Kanal ist im Modell oben als U-förmige Aussparung zu erkennen. Die Drehzahl kann mit einem Fliehkraftregler, wie sie ihn bei den Kreisbewegungen kennengelernt haben, durch Regulieren der Dampfzufuhr konstant gehalten werden. Die Dampfmaschine nach diesem Prinzip erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 25%. 10

11 Die Dampfturbine Mittlerweile hat sich die Dampfmaschine als Arbeitsmaschine verabschiedet. In grossen Kraftwerken jedoch hat sich der Dampf als Arbeitsmedium weiterhin behaupten können. So wird in Wärmekraftwerken, zu welchen unter anderem Kernkraftwerke, Kohlekraftwerke und Ölkraftwerke zählen, auf jeweils unterschiedliche Art Wasser zum Verdampfen gebracht. Der grosse Druck des Dampfes wird in allen diesen Kraftwerkstypen dazu genutzt, um eine Dampfturbine in Rotation zu versetzen. In Kraftwerken sind dabei mehrere solche Turbinen hintereinander geschaltet. Zuerst passiert der Dampf die Hochdruckturbine, danach die Niederdruckturbinen. Wichtig ist hier (analog zur Dampfmaschine), dass der Dampf hinter den Turbinen in einem Kondensator gekühlt wird. Das heisst, in einem Kühler wird der Dampf abgekühlt, wobei dieser kondensiert. Damit sinkt der Druck auf der Turbinenrückseite zusätzlich. Dies geschieht häufig mittels eines Kühlturms oder mit einer Kühlung in einem großen, nahegelegenen Fluss. Nur ein grosser Druckunterschied zwischen Turbinenvorder- und rückseite erlaubt einen akzeptablen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad solcher Kraftwerke liegt heute bei etwas über 40%. 11

12 1 Frischdampfleitung 2 Ventil Hochdruck-Turbine 7 Niederdruck-Turbinen 9 Kondensator Das Düsentriebwerk Das Düsentriebwerk kommt vorwiegend bei schweren und schnellen Flugzeugen zum Einsatz, da der Wirkungsgrad eines Propellers bei Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit (ca. 0m/s) stark abnimmt und herkömmliche Motoren bei grossem Leistungsbedarf zu schwer werden. Der Wirkungsgrad eines Düsentriebwerk steht allerdings jenem eines Motors in jedem Fall nach, er erreicht nur knapp 25%. 12

13 Ein Nieder- und ein Hochdruckkompressor (oder Verdichter) am Einlass des Triebwerks, bestehend aus mehreren rotierenden und festen Verdichterlaufrädern, presst die einströmende Luft in die Brennkammern, in welchen Treibstoff verbrannt wird und sich die Luft dadurch schlagartig erwärmt. Die erhitzte Luft wird wegen der grossen Volumenzunahme nach hinten beschleunigt und treibt dabei die eigentliche Turbine (bestehend aus Hoch- und Niederdruckturbine) an, welche wiederum die auf der gleichen Welle montierten Nieder- und Hochdruckkompressoren vorne antreibt. Der schnelle Luftstrom verlässt dann das Triebwerk nach hinten und drückt dadurch das Triebwerk (und alles, was daran festgemacht ist) nach vorne. 1

14 Benzin-Motoren: 4-Takt N. Otto stellte seinen Verbrennungsmotor 1867 vor. 188 wurde er von den Herren Daimler und Benz weiterentwickelt. Heute erreicht dieser Motor Wirkungsgrade von maximal 5%. Die Funktionsweise kann in vier Takte unterteilt werden. Die folgende Abbildung veranschaulicht das im Text Beschriebene. 1. Takt: Der Kolben ist oben und beginnt sich nach unten zu bewegen. In diesem Moment öffnet das Einlassventil und das Treibstoff-Luft-Gemisch wird in den Zylinder gesogen. 2. Takt: Nachdem der Kolben die unterste Position erreicht hat, schließt das Einlassventil. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Gemisch. Das Volumen wird auf etwa einen Zehntel verkleinert, wodurch der Druck auf etwas mehr als 22bar ansteigt. Man spricht von einem Verdichtungsverhältnis von 10:1. Das Gemisch erreicht dabei etwa eine Temperatur von 00 C bis 400 C. Bei Temperaturen über 500 C würde sich das Benzin-Luft-Gemisch selbständig entzünden, was den Motor beschädigen kann (führt zu sogenanntem Klopfen).. Takt: Ein Funke der Zündkerze entzündet das Gemisch, die Temperatur steigt auf über 2500 C und dadurch erhöht sich der Druck auf etwa 60 bar. Der Kolben wird nach unten gedrückt (Arbeitstakt). 4. Takt: In dem Moment, in welchem sich der Kolben wieder nach oben bewegt, öffnet das Auslassventil und die Abgase werden nach aussen gedrückt. Ist der Kolben oben angelangt, so schliesst das Auslassventil und der Ablauf beginnt wieder mit dem 1. Takt. Bei genauer Betrachtung der Funktionsweise des 4-Takt-Motors erkennt man, dass auf zwei Auf- und Abbewegungen nur ein Arbeitstakt stattfindet. Zudem ist der 4- Takt-Motor auf Ventile angewiesen, die Störungen hervorrufen können. 14

15 Der 2-Takt-Motor Die Funktionsweise kann in zwei Takte unterteilt werden. 1. Takt: Der sich nach oben bewegende Kolben (s. Abb. a unten links) komprimiert das über ihm befindliche Gemisch. Gleichzeitig wird neues Gemisch durch den nun offenen Gaseinlass in das Kurbelgehäuse gesogen. 2. Takt: Das komprimierte Gemisch wird entzündet (s. Abb. b unten in der Mitte). Der entstehende große Druck presst den Kolben nach unten (Arbeitstakt). Das Gemisch im Kurbelgehäuse wird dadurch etwas zusammengepresst, kann aber nicht mehr zum Gaseinlass heraus, da dieser vom Kolben bald versperrt wird. Sobald der Kolben in der untersten Position ist, wird das Gemisch im Kurbelgehäuse durch den Überströmkanal in den Brennraum über den Kolben geleitet (s. Abb. c unten rechts). Gleichzeitig wird das verbrannte Gemisch durch das neu eintretende Gemisch zum Gasaustritt hinausgedrückt. Aufgrund der etwas speziellen Formgebung des Kolbenoberteils tritt nur wenig frisches Gemisch direkt wieder zum Gasaustritt aus, allerdings lässt sich das bei Zwei- Taktern nicht verhindern, was man an den Abgasen riechen kann. Nun wird wieder beim 1. Takt begonnen. 15

16 Der Diesel-Motor In den Jahren zwischen 1892 und 1897 entwickelte R. Diesel den nach ihm benannten Verbrennungsmotor, der lange in Autos anteilsmässig hinter dem Otto- Motor zurückstand, aber gerade in letzter Zeit stark aufholt und in Lastwagen gar ausschliesslich zum Einsatz kommt. Die untenstehende Abbildung veranschaulicht das im Text beschriebene. In einem Druck-Volumen-Diagramm (p-v-diagramm, s. nächste Seite) werden wir das Gas, welches sich im Zylinder befindet, während den 4-Takten begleiten : 1. Takt: Der Kolben ist oben und beginnt sich nach unten zu bewegen. In diesem Moment öffnet das Einlassventil und reine Luft wird in den Zylinder gesogen. 2. Takt: Nachdem der Kolben die unterste Position erreicht hat, schliesst das Einlassventil. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet die Luft. Das Volumen wird auf etwa einen Sechszehntel verkleinert, wodurch der Druck auf etwas mehr als 45bar ansteigt (ohne Abgasturboaufladung). Man spricht von einem Verdichtungsverhältnis von 16:1. Das Gemisch erreicht dabei eine Temperatur von etwa 600 C. Hat der Kolben den höchsten Punkt erreicht, so sprüht eine Hochdruckpumpe den flüssigen Diesel-Treibstoff in den Zylinder. Der Treibstoff entzündet sich aufgrund der hohen Temperatur selbständig (Zündkerzen braucht der Diesel-Motor somit keine).. Takt: Durch die Entzündung des Gemischs steigt die Temperatur an, und damit steigt auch der Druck auf etwa 60bar. Der Kolben wird nach unten gedrückt (Arbeitstakt). 4. Takt: In dem Moment, in welchem sich der Kolben wieder nach oben bewegt, öffnet das Auslassventil und die Abgase werden nach aussen gedrückt. Ist der Kolben oben angelangt, so schliesst das Auslassventil und der Ablauf beginnt wieder mit dem 1. Takt. Aufgrund des grossen Verdichtungsverhältnisses arbeitet der Diesel-Motor mit einem Wirkungsgrad von 8% und mehr. Grosse Schiffsdieselmotoren erreichen Wirkungsgrade von bis zu 50%. 16

17 Der Wankel-Motor Im Jahre 1957 brachte F. Wankel den ersten nach ihm benannten Kreiskolbenmotor zum Laufen, und 1964 wurde das erste Auto (ein NSU) serienmässig mit diesem Motor gebaut. Der Motor konnte sich allerdings nie richtig durchsetzen, auch wenn sich einige berühmte Automobilhersteller (Mercedes, Mazda) in der Zwischenzeit dem Motor widmeten und in einige ihrer Modelle einbauten. Der Kolben, mit einer Form ähnlich derjenigen eines gleichseitigen Dreiecks mit geschwungenen Seiten, vollführt in einem trochoidenförmigen Gehäuse eine stetig kreisende Bewegung. Seine Funktionsweise ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Im ersten Takt wird an der Kolbenflanke A durch das Einlassrohr Gemisch angesaugt, was in den vier Schritten der Abbildung von links nach rechts (1 bis 4) zu erkennen ist. Nach etwa einen Drittel Umdrehung befindet sich die Kolbenflanke A von der Abbildung 4 bei der Kolbenflanke B in der Abbildung 1. Das Gemisch wird nun bei B bis zu Abb. komprimiert und dann mit einer Zündkerze entzündet. In der Abbildung 4 findet also bei B der Arbeitstakt statt, was in der Abbildung 1 bei C noch andauert. In Abbildung 2 bis 4 findet bei C das Ausschieben der Abgase statt, worauf das Ganze wieder von vorne beginnt. 17

18 Vom Eismann zum Kühlschrank Die Kühlmaschine wurde 1870 erfunden. Es zogen allerdings noch einige Jahrzehnte ins Land, bis der Kühlschrank für jedermann erschwinglich wurde. Bis dahin verkaufte ein Eismann, der regelmässig mit seinem Wagen in den Strassen erschien, Eisbarren. Diese wurden in einem gut isolierten Schrank aufbewahrt und kühlten diesen. Die Schränke mussten entsprechend regelmässig mit Eis aufgefüllt werden. Das Eis wurde im Winter künstlich angelegten Weihern entnommen und in riesigen, tiefen Kellern gestapelt, sodass es bis ans Ende des folgenden Sommers reichte. Auch Gletschereis wurde verwendet. Vielleicht hast du noch Grosseltern, die nicht vom Kühlschrank, sondern vom Eisschrank sprechen. Diese Idee zu kühlen ist nicht neu. Bereits der römische Kaiser Heliogabal liess in seinem Garten um 220 n.chr. Schnee aus den Abruzzen anhäufen, um Getränke im Sommer kühlen zu können. Bierbrauereien gehörten am Ende des 19. Jahrhunderts zu den grössten Eiskonsumenten. Deshalb erstaunt es nicht, dass gerade ein deutscher Brauereibesitzer dem Ingenieur Carl von Linde Geld zur Verfügung stellte, damit dieser seine Erfindung einer Kühlmaschine in die Tat umsetzen konnte. Das Prinzip ist bis heute das gleiche geblieben. 18

19 1 2 Funktionsweise des Kühlschranks Das Kältemittel des Kühlschranks gelangt in flüssiger Form in die Rohre des Innenraums. Das Kältemittel entzieht dem Innenraum Wärmeenergie und verdampft. Das gasförmige Kältemittel wird durch den Kompressor sehr stark verdichtet. Durch das Verdichten steigt die Temperatur des Kältemittels an Im Rohrsystem des Kondensators auf der Rückseite des 4 Kühlschranks gibt das Kältemittel Wärmeenergie an die Raumluft ab, kühlt etwas ab und wird flüssig. Das Kältemittel 5 durchläuft ein Entspannungsventil. Es dehnt sich dabei aus und kühlt wieder ab. Der Kreislauf beginnt von vorne. 1 2 Funktionsweise des Kühlschranks Das Kältemittel des Kühlschranks gelangt in flüssiger Form in die Rohre des Innenraums. Das Kältemittel ent-zieht dem Innenraum Wärmeenergie und verdampft. Das gasförmige Kältemittel wird durch den Kompressor sehr stark verdichtet. Durch das Ver-dichten steigt die Temperatur des Kältemittels an Im Rohrsystem des Kondensators auf der Rückseite des 4 Kühlschranks gibt das Kältemittel Wärmeenergie an die Raumluft ab, kühlt etwas ab und wird flüssig. Das Kältemittel 5 durchläuft ein Entspannungs-ventil. Es dehnt sich dabei aus und kühlt wieder ab. Der Kreislauf beginnt von vorne. 19

20 1 Funktionsweise des Kühlschranks Funktionsweise einer Wärmepumpe Im Rohrsystem der Wärmepumpe befindet sich ein Kältemittel, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. 2 Das Kältemittel fließt durch Leitungen in Erdreich, Grundwasser oder Außenluft. Es nimmt dabei Wärmeenergie aus der Umgebung auf und verdampft. Das gasförmige Kältemittel durch-läuft einen Kompressor und wird verdichtet. Dadurch erwärmt sich das Kältemittel enorm In den Rohren des Heizsystems im Haus 4 gibt das Kältemittel Wärmeenergie an die Raumluft bzw. die Heizkreisflüssigkeit ab, kühlt dabei etwas ab und wird flüssig. Das Kältemittel 5 durchläuft ein Entspannungs-ventil. Es dehnt sich dabei aus und kühlt wieder ab. Der Kreislauf beginnt von vorne. 20

21 Die Wärmepumpe Die Geschichte der Wärmepumpe Dass ein Kältemittelkreislauf auch als Heizung in Form einer Wärmepumpe eingesetzt werden kann, wurde erst um 190 in die Tat umgesetzt. Der Aufschwung der Wärmepumpe kam allerdings erst mit der Ölkrise im Jahre 197, als die Erdölpreise rasant in die Höhe schnellten und jedem die Abhängigkeit von den Erdöllieferanten bewusst wurde. Kurz zusammengefasst kann man sagen, dass die Wärmepumpe der Umgebung Wärme entzieht und diese dem Haus zuführt, umgekehrt zum Kühlschrank. Dadurch wird das Haus wärmer, die Umgebung etwas kälter. Meistens entnimmt die Wärmepumpe dem Boden Wärme. Dazu werden ca. 100m tiefe Bohrungen angelegt und die geringe Erdwärme wird genutzt. Eher selten wird einem Fluss, See oder gar der Luft oder dem Grundwasser Wärme entzogen. Da das Medium, welchem die Wärme entzogen wird, auf jeden Fall kälter ist als das Haus, fliesst die Wärme nicht von selbst in die gewünschte Richtung (sondern entgegen), erst die Wärmepumpe macht dies mit etwas Energieaufwand möglich. 1 Funktionsweise einer Wärmepumpe Im Rohrsystem der Wärmepumpe befindet sich ein Kältemittel, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. 2 Das Kältemittel fließt durch Leitungen in Erdreich, Grundwasser oder Außenluft. Es nimmt dabei Wärmeenergie aus der Umgebung auf und verdampft. Das gasförmige Kältemittel durch-läuft einen Kompressor und wird verdichtet. Dadurch erwärmt sich das Kältemittel enorm In den Rohren des Heizsystems im Haus 4 gibt das Kältemittel Wärmeenergie an die Raumluft bzw. die Heizkreisflüssigkeit ab, kühlt dabei etwas ab und wird flüssig. Das Kältemittel 5 durchläuft ein Entspannungs-ventil. Es dehnt sich dabei aus und kühlt wieder ab. Der Kreislauf beginnt von vorne. 21

22 Funktionsweise einer Wärmepumpe Das Kältemittel fließt durch Leitungen in Erdreich, Grundwasser oder Außenluft. Es nimmt dabei Wärmeenergie aus der Umgebung auf und verdampft Energiebedarf: Vergleich der Ölheizung mit einer Wärmepumpenheizung Die Ölheizung entnimmt die gesamte Energie dem Öl durch Verbrennen. Der Wirkungsgrad dabei liegt bei etwa 90%. Eine geringe Menge an Wärmeverlust durch den Kamin kann nicht vermieden werden. Die Ölheizung erzeugt somit Wärme durch Verbrennen. Verluste Wärmeenergie Öl Wärmeenergie Umwelt El. Energie Kompressor Die Wärmepumpe hingegen entnimmt den grössten Teil der Energie (Wärme) der Umwelt. Der Kompressor braucht eine bestimmte Menge an elektrischer Energie, um diese Wärme von aussen nach innen zu verlagern. Die Wärmepumpe erzeugt also Wärme nicht, sie verlagert (oder pumpt ) sie nur von aussen nach innen. Je nach Konstruktion der Anlage braucht der Kompressor 1/ der Energie, die Umwelt liefert 2/. Dies ist bei Wärmepumpen, die die Wärme der Aussenluft entziehen, der Fall. Dabei kann der Luft selbst bei Temperaturen von 18 C noch Wärme entzogen werden! Besser konzipierte Anlagen, z.b. solche mit Erdsonden, erreichen sogar ein Verhältnis von 1/5 zu 4/5. Der Energiebedarf der Wärmepumpe ist also geringer als derjenige der Ölheizung bei gleicher Heizleistung. 22

23 Treibhauseffekt Einfallendes Sonnenlicht wird in Wärmestrahlung umgewandelt. In einem Treibhaus wird die Wärmestrahlung zurückgehalten. So bleibt die Luft im Treibhaus wärmer als die Außentemperatur. kurzwellige Sonneneinstrahlung langwellige Wärmestrahlung Treibhauseffekt Gase wie Methan und Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre wirken wie ein Treibhaus. Sie halten die langwellige Wärmestrahlung zurück. Die Erde erwärmt sich. Der natürliche Treibhauseffekt verhindert, dass die Erde in der Nacht zu stark abkühlt und macht das Leben auf der Erde erst möglich. Der künstliche Treibhauseffekt durch die zunehmende Luftverschmutzung verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt und bewirkt eine globale Erwärmung. kurzwellige Sonneneinstrahlung Abgase langwellige Wärmestrahlung 2

24 Die Luftfeuchtigkeit Wasser: Hohe Umwandlungswärmen Wasser vergrößert bei Frieren sein Volumen Sprengwirkung, Eisberge Bei Kondensation: Energie wird freigesetzt Bei Verdunstung: Verdunstungskühlung Absolute Luftfeuchtigkeit Die Wassermenge die 1 m³ Luft bei einer gewissen Temperatur maximal aufnehmen kann, heißt Sättigungsmenge. Die in 1 m³ Luft tatsächlich enthaltene Wasserdampfmenge heißt absolute Luftfeuchtigkeit

25 Relative Luftfeuchtigkeit Der Feuchtigkeitsgehalt der Luft wird gekennzeichnet durch die relative Luftfeuchte ϕ. Dies ist die prozentual vorhandene Wasserdampfmenge im Verhältnis zur Sättigungsmenge bei einer bestimmten Temperatur. vorh. Wassermenge in g/m³ x 100 rel. Luftfeuchte ϕ = in % Sättigungsmenge in g/m³ relative Luftfeuchtigkeit Die optimale Feuchtigkeit liegt zwischen 40 und 60%

26 Erwärmen von Luft: die relative Feuchte sinkt Abkühlen: die relative Feuchte erhöht sich bis maximal 100 % r.f. bei weiterem Abkühlen wird Wasserdampf als Nebel oder an Oberflächen als Tauwasser ausgeschieden Wasser in der Atmosphäre Wassergehalt in der Atmosphäre variabel Das am Wasserkreislauf beteiligte Wasser durchläuft also im Jahr ca. 40 Mal den hydrologischen Zyklus (um den jährlichen Niederschlag zu erzeugen)

27 Der hydrologische Zyklus Eis und Wasser Der Sättigungsdampfdruck über unterkühltem Wasser ist etwas größer als über Eis (Wassermoleküle sind im Wasser weniger stark gebunden als im Eis) Das hat zur Folge: verdunstendes Wasser kondensiert am Eis; und: Eiskristalle wachsen auf Kosten unterkühlter Wolkentröpfchen

28 Messung der Luftfeuchte Haarhygrometer Haar wird länger wenn es Wasserdampf aufnimmt