Freiwillige Feuerwehr Rosenheim. Wärmelehre. Hans Meyrl. Stadt Rosenheim Sachgebiet III/323 Brand- und Katastrophenschutz, ILS
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- Frauke Kopp
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1 Freiwillige Feuerwehr Rosenheim Wärmelehre Hans Meyrl Stadt Rosenheim Sachgebiet III/323 Brand- und Katastrophenschutz, ILS
2 Wärmelehre physikalische Grundlagen
3 Inhalt Begriffe, Größen, Einheiten Physikalische Wirkungen der Wärme Gasgesetze Wärmeübertragung (Ausbreitung) kritischer Druck, kritische Temperatur Tripelpunkt
4 Wärme / Temperatur Wärmelehre fußt auf den Gesetzmäßigkeiten der Mechanik Wärme / Temperatur sind nicht identisch Wärme ist eine Form der Energie Temperatur ist der Wärmezustand eines Stoffes Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie je Molekül
5 Wärme Energieerhaltungssatz Erster Hauptsatz der Wärmelehre: Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert. Verschiedene Energieformen können sich demnach ineinander umwandeln, aber Energie kann weder aus dem Nichts erzeugt noch vernichtet werden.
6 Wärme/Temperatur
7 Wärme Eine spezielle Energieform wie z.b. elektrische Energie, mechanische Energie Maßeinheit d. Wärme: Joule Newtonmeter, Wattsekunde Abkürzung: J, Nm, Ws // 1 J = 1 Nm = 1 Ws Heizwerte werden auch in kwh angegeben 1 kwh = 3,6 x 10 6 J = 3600 kj
8 Wärme Spezifische Wärmekapazität c Wärmemenge Q [kj], die nötig ist, um die Temperatur von 1 kg eines Stoffes um 1 Kelvin zu erhöhen. Q = c x m x T Wasser: c = 4,2 kj/(kg x K) m = Masse T = Temperaturdifferenz
9 Wärme Verbrennungswärme (früher oberer Heizwert) Sie gibt an, wieviel Wärmeenergie in den Brennstoffen bei vollständiger Verbrennung enthalten ist. Beinhaltet Wärmemenge zur Verdampfung des im Brennstoff enthaltenen Wassers. Heizwerte Technisch nutzbarer Wert Einheit J / kg, kj / kg oder kj / m³ Angabe auch in kwh 1 kwh = 3,6 x 10 6 J = 3600 kj
10 Wärme Heizwerte Holz kj / kg Steinkohle kj / kg Erdöl kj / kg Methan kj / m³ PP, PE kj / m³ VB. Nutzungsänderung bei Lagerhallen, Änderung der Brandlast Propan kj / m³
11 Glutfarben 400 o C erste farbliche Veränderung (Grauglut) 525 o C erste wahrnehmbare Dunkelrotglut 700 o C dunkle Rotglut 900 o C helle Rotglut 1100 o C Gelbglut 1300 o C beginnende Weißglut 1500 o C blendende Weißglut
12 Wärme - Brennwertkessel Die Brennwerttechnik nutzt nicht nur die Wärme, die als messbare Temperatur der Heizgase bei der Verbrennung entsteht (Heizwert), sondern auch zusätzlich deren Wasserdampfgehalt (Brennwert).
13 Wärme Erzeugung durch Verbrennung Reibung Chemische Reaktionen z. B. Sonne Physikalische Vorgänge z. B. Kernreaktion, Zustandsänderungen, Elektrizität (Brandursache)
14 Temperatur - Kelvin Internationale Maßeinheit (SI) der Temperatur ist das Kelvin Abkürzung: K,[K] Maßeinheit Formelzeichen: T Kelvin-Skala hat Nullpunkt bei tiefster theoreth. Temperatur (absoluter Nullpkt.) 0 C = 273,15 K, 0 K = - 273,15 C, 1 C = 1 K
15 Temperatur
16 Temperatur Grad Celsius Einzige physikalische Größe mit zwei Formelzeichen Gesetzliche Einheit (wie z. B. Grad Fahrenheit) Maßeinheit: Abkürzung: Formelzeichen: t Grad Celsius [ C] Maßeinheit Ein Grad Celsius ist auf der Thermometerskala der hundertste Teil des Abstandes zwischen dem Gefrier- u. Siedepunkt des Wassers bei 1013 mbar
17 Temperaturmessung Flüssigkeitsthermometer Bimetall-Thermometer Gasthermometer Widerstandsthermometer Thermoelement Segerkegel
18 Physikalische Wirkungen der Wärme 1. Wärmeausdehnung: feste, flüssige und gasförmige Stoffe Stahlträger mit 10 m Länge dehnt sich bei Erwärmung auf 700 C um rund 9 cm aus 60 Liter Tank dehnt sich bei t von 35 C um 2,1 Liter aus Gase verdoppeln bei T von 273 K ihr V
19 Physikalische Wirkungen der Wärme 1. Wärmeausdehnung: Feste Stoffe l = α x l 0 x T l 0 l α l 0 T Längenänderung Längenausdehnungskoeffizient Ausgangslänge Temperaturunterschied
20 Wärmeausdehnung feste Stoffe Längenausdehnungskoeffizient α [1/K] Glas 3,0 x 10-6 Eisen 12,1 x 10-6 Aluminium 23,8 x 10-6 Plexiglas 85,0 x 10-6 Beton 12,0 x 10-6 Volumenausdehnungszahl fester Stoffe 3α
21 Wärmeausdehnung feste Stoffe Beispiel Brücke
22 Wärmeausdehnung feste Stoffe Beispiel: Ein Stahlträger von 10 m Länge dehnt sich bei Erwärmung um 700 C um 9 cm aus. Wie groß ist α des Stahles?
23 Wärmeausdehnung flüssige Stoffe dehnen sich stärker aus als feste Stoffe 60 Liter Tank dehnt sich bei t von 35 C um 2,1 Liter aus, Sprinklerkopf V = V0 x γ x T Volumenausdehnungskoeffizient γ
24 Wärmeausdehnung flüssige Stoffe Volumenausdehnungskoeffizient γ [1/K] Wasser 0,00021 Olivenöl 0,00072 Petroleum 0,00096 Benzin 0,00106
25 Anomalie des Wassers Alle Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus Ausnahme Wasser Anomalie des Wassers? Im Temperaturbereich von 0 4 C Größte Dichte bei +4 C
26 Anomalie des Wassers
27 Anomalie des Wassers
28 Wärmeausdehnung gasförmige Stoffe Alle idealen Gase dehnen sich bei gleich bleibendem Druck bei Erwärmung um ein Kelvin um 1/273 des Volumens aus, das sie bei 273 K (= 0 C) annehmen. γ = 1/ 273 1/ K Gase verdoppeln bei T von 273 K ihr V!! V = V0 x γ x T
29 Wärmeausdehnung gasförmige Stoffe 1 m³ Luft von 0 C soll durch Erwärmung auf 2 m³ bei gleichem Druck ausgedehnt werden. Um wieviel C muss man erwärmen? um 273 C
30 Gasgesetz jedes Gas lässt sich beschreiben durch: Druck p Maßeinheit: Pascal, bar 1 bar = Pa 1 Pa = 1 N/m² Volumen V Maßeinheit: m³ Temperatur T Maßeinheit: K Temperatur Maßeinheit: C
31 Gasgesetz Gay - Lussac
32 Gasgesetze Boyle Mariotte
33 Gasgesetze Gesetz von Amontons V = konstant
34 Gasgesetze Allgemeine Gasgleichung p x V / T = konstant p1 x V1/ T1 = p2 x V2 / T2
35 Physikalische Wirkungen der Wärme 1. Wärmeausdehnung 2. Änderung des Aggregatzustandes durch Energiezufuhr/-abfuhr ändern sich die Aggregatszustände Die Temperatur bleibt konstant. 1 kg Eis v. 0 C in Wasser v. 0 C ~ 350 kj 1 kg Wasser von 100 C in Dampf von 100 C ~ 2257 k J
36 Physikalische Wirkungen der Wärme
37 Physikalische Wirkungen der Wärme
38 Physikalische Wirkungen der Wärme Schmelzwärme ist die Wärme, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes zu schmelzen [J]. Verdampfungswärme ist die Wärme, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen [J]. 1 kg Eis v. 0 C in Wasser v. 0 C ~ 335 kj 1 kg Wasser v. 100 C in Dampf v C ~ 2257 kj
39 Verdampfungswärme
40 Berechnungsbeispiel Welche Wärmemenge wird benötigt, um 1 kg Eis von -10 C auf Dampf von 110 C zu erwärmen? Formel: Q = c x m x T Wasser: c = 4,2 kj/(kg x K) Eis: c = 2,1 kj/(kg x K) 1 kg Eis v. 0 C in Wasser v. 0 C ~ 335 kj 1 kg Wasser von 100 C in Dampf von 100 C ~ 2257 kj
41 Berechnungsbeispiel 1. Erwärmung von -10 C auf 0 C Q = c x m x T = 2,1 kj/(kg x K) x 1 kg x 10 K = 21 kj 2. Schmelzen von Eis 1 kg Eis v. 0 C in Wasser v. 0 C 335 kj 3. Erwärmung von 0 C auf 100 C Q = c x m x T= 4,2 kj/(kg x K) x 1 kg x 100 K = 420 kj 4. Verdampfen von Wasser 2257 kj 5. Erwärmung von 100 C auf 110 C Q = c x m x T= 2,1 kj/(kg x K) x 1 kg x 10 K = 21 kj Summe 3054 kj
42 Aggregatszustände
43 Physikalische Wirkungen der Wärme 3. Änderung der Festigkeitswerte Bei Erwärmung ändert sich die Festigkeit (Druck- u. Zugfestigkeit, Elastizität) der festen Stoffe Stahl / Kunststoffe bei 500 C nur noch die Hälfte seiner Tragfähigkei t bei 600 C nur noch ein Drittel seiner Tragfähigke it
44 Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmemitführung (Konvektion) Wärmestrahlung Sonstige Bei Naturbrand noch durch: Flugfeuer Brennendes Abfallen od. Abtropfen Fettexplosion
45 Wärmeübertragung 1. Wärmeleitung Bei festen Stoffen, unbewegten flüssigen und gasförmigen Stoffen unmittelbar benachbarter Stoffteilchen Gute Wärmeleiter Metalle Schlechte Wärmeleiter: Holz, Glas, Luft
46 Wärmeübertragung 1. Wärmeleitung Metalle
47 Wärmeübertragung 1. Wärmeleitung
48 Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeleitzahl λ Wärmemenge, die ein Körper von 1 m² Fläche und 1 m Dicke in 1 h bei einem Temperaturgefälle von 1 K von einer Seite zur anderen überträgt. Wichtig zur Berechnung des u-wertes (früher k-wert)
49 Wärmeleitung Einbau eines neuen Ofens
50 Wärmeübertragung 2. Wärmemitführung (Konvektion) Bei flüssigen und bewegten gasförmigen Stoffen Durch Ausdehnung geringer Dichte, d.h. die Stoffe werden leichter und steigen auf Beispiele: Heizung, Heizkörper unter Fenster, Brandgase
51 Wärmeübertragung 3. Wärmestrahlung An kein Medium gebunden Elektromagnetische Strahlung Bsp. Sonnenstrahlung durch luftleeren Raum, Hitzeschutzanzug (saubere Oberfläche!) Auch im Vakuum möglich Auch gegen Wind (gefährlicher, da kein Rauch)
52 Wärmeübertragung 3. Wärmestrahlung
53 3. Wärmestrahlung
54 3. Wärmestrahlung Beispiel: Strahlung Elektrosmog
55 3. Wärmestrahlung Reflexion Absorption Transmission Glas, Wasser!!
56 Wärmeübertragung Wärmestrahlung - Thermografie
57 Wärmeübertragung Wärmestrahlung - Wärmebildkamera
58 Wärmeübertragung Wärmestrahlung Schlussfolgerungen für die Fw VB: Keine Stahlträger durch Wände, RWA, Abstandsflächen, helle Wände bei gegenüberliegenden Flächen AB: Reflektierende Hitzeschutzkleidung, helle Fläche, Kühlung von Wärmestrahlung ausgesetzten Flächen, Öffnen von Fenstern im Dachbereich Hydroschild und Mannschutzbrause bedingt
59 Wärmeübertragung
60 Wärmestau Bei Wärmestau muß mehr Wärme erzeugt werden als verbraucht oder abgeführt wird. Wenn Wärmeleitung unterbunden ist Beispiele - Voraussetzung bei Selbstzündung (Heu) - Eingebauter Fernseher Van t Hoffsche Regel
61 Verflüssigung von Gasen Gas mit Zustandsgrößen p, V, T Verflüssigung heißt: V des Gases wird verringert 2 Möglichkeiten zur Volumenverringerung Abkühlung Druckerhöhung Voraussetzung: p und T müssen passen!!
62 Kritischer Druck + Temperatur Hohe Gastemperaturen vergrößern die Partikelbewegung derart, dass auch durch höchste Drücke Gase nicht verflüssigt werden können. Die Temperatur, bei der dieser Zustand eintritt, die kritische Temperatur, ist für jedes Gas spezifisch. Der Druck, der kurz unterhalb der kritischen Temperatur zur Verflüssigung des Gases führt, ist sein kritischer Druck.
63 Kritischer Druck + Temperatur Folgerung: Eine Verflüssigung ist nur unterhalb der kritischen Temperatur möglich.
64 Tripelpunkt In der Thermodynamik ist der Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) der Punkt, beschrieben durch Druck und Temperatur, an dem drei Phasen eines Systems im Gleichgewicht sind.
65 Tripelpunkt
66
Energie und Energieerhaltung. Mechanische Energieformen. Arbeit. Die goldene Regel der Mechanik. Leistung
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