10. Thermodynamik Wärmetransport Wämeleitung Konvektion Wärmestrahlung Der Treibhauseffekt. 10.

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1 10.5 Wärmetransport Inhalt 10.5 Wärmetransport Wämeleitung Konvektion Wärmestrahlung Der Treibhauseffekt

2 Wärmeleitung 10.5 Wärmetransport an unterscheidet: Wärmeleitung Konvektion Strahlung 10.5 Wärmetransport Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen Wärmeübertragung durch Stofftransport Emission/Absorption elektromagnetischer Strahlung Wärmeleitung

3 10.5 Wärmetransport Wärmeleitung 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. Wärme dq, die in Zeit dt übertragen wird = Wärmestrom H A: Fläche (T H T K )/d : Temperaturgradient λ: Wärmeleitfähigkeit Allgemein gilt: mit Wärmeleitwiderstand

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

5 Wärmestrahlung Konvektion Konvektion = Wärmetransport durch Massentransport Beispiele: Heißwassersystem, Kühlsystem eines Motors, Blutkreislauf

6 Wärmestrahlung Wärmestrahlung 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

7 Wärmestrahlung Wärmestrahlung Für Strahlungsdichte = Strahlungsleistung pro Wellenlängeneinheit in Halbraum emittierte Strahlung gilt: k = 1,38 x J/K (Boltzmannkonstante) h = 6,6262 x Js Planck sches Wirkungsquantum Strahlungsdichte für A = 1m 2 - Spektrum ist kontinuierlich - für am stärksten abgestrahlte Leistung gilt:

8 Wärmestrahlung Für die gesamte abgestrahlte Leistung gilt: Stefan-Boltzmann-Gesetz Mit: Wärmestrahlung Beispiel: Oberfläche der Haut eines menschlichen Körpers A=1,2 m 2 Oberflächentemperatur der Haut J O = 30 o C, Umgebungstemperatur J U = 20 o C. Wie groß ist die abgestrahlte Strahlungsleistung? (Hinweis: Mensch = schwarzer Körper) Aber! Es gibt ebenfalls Absorption der Umgebungsstrahlung!!!

9 Der Treibhauseffekt Beispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß Wärmestrahlung

10 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseff Der Treibhauseffekt

11 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt Frage: Warum ist Erde so warm? <J E > = 15 o C Frage: Wird Erde wärmer? Folgende Effekte spielen eine Rolle: - Sonnenlicht liefert Strahlungsleistung Φ S 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/m 2

12 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt Von der Erde absorbierte Strahlungsleistung R= Reflexionsgrad = 30 % Erde emittiert über die gesamte Oberfläche Im Gleichgewicht gilt: Berechnung der Erdtemperatur möglich T E = 254 K = - 18 o C!!!!!!!!! Frage: Warum ist <J> = + 15 o C????????

13 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt Antwort: Es gibt natürlichen Treibhauseffekt Es gilt: - Erdatmosphäre für ankommende Wärmestrahlung nahezu vollständig durchlässig - Erdatmosphäre (N 2, O 2 ) für Wärmestrahlung nahezu vollständig durchlässig Aber! Spurengase absorbieren langwellige Wärmestrahlung! CO 2 0,03 Vol % liefert + 7 o C H 2 O liefert + 21 o C O 3, N 2 O 4, CH 4 liefern + 5 o C

14 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt

15 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffek

16 Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt

17 10.6 Das thermische Verhalten von Gasen Der Treibhauseffek

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