27 Energie und Leistung

Transkript

1 0 Energie und Leistung Wärmeenergie kann in mechanische Energie und umgekehrt verwandelt werden. Wenn eine Dampflokomotive einen Eisenbahnzug fortbewegt, verrichtet sie mechanische Arbeit, denn: Arbeit ist die Wirkung einer Kraft längs eines Weges. Da sich die verrichtete Arbeit im Verhältnis der wirkenden Kraft bzw. auch im Verhältnis des unter Krafteinfluss zurückgelegten Weges ändert, gilt: Die von einer Dampflokomotive auf den Zug übertragene mechanische Arbeit wird in den beiden Dampfzylindern dadurch erzeugt, dass der Dampfdruck nach dem Gesetz des hydraulischen Druckes an der Kolbenfläche die Kraft F erzeugt. Diese bewegt den Kolben, wodurch die erforderliche mechanische Arbeit erzeugt wird. Der Druck entsteht aber durch das Verdampfen von Wasser, d. h. durch die Zuführung von Wärmeenergie aus dem Feuerraum im Kessel. Es gilt also der erste Hauptsatz der Wärmelehre: Um die zwar gleichwertigen aber unterschiedlichen Energieformen voneinander zu unterscheiden wurde die Einheit, für die Wärmeenergie das Joule mit dem Einheitenbuchstaben J eingeführt. Durch Versuche von Joule und Mayer wurde die bereits erwähnte Äquivalenz, d. h. Gleichwertigkeit von Wärmeenergie und mechanischer Arbeit festgestellt.. Leistung Arbeit Kraft Weg W F L H in Nm Wärmeenergie und mechanische Arbeit sind einander gleichwertig. p p A Die von einer Maschine verrichtete Arbeit ist also durch die Kraft und die Länge des Weges bedingt. Für den wirtschaftlichen Nutzen einer Kälteanlage ist aber maßgebend, in welcher Zeit eine Arbeit verrichtet wird. Im Sprachgebrauch sprechen wir --- F A J Nm Ws Ein Joule ist gleich der Arbeit, die verrichtet wird, wenn der Angriffspunkt der Kraft ein Newton in Richtung der Kraft um einen Meter verschoben wird. Nm Newton mal Meter James Prescott Joule, engl. Physiker Wichtig für den Kälteanlagenbauer! Julius Robert Mayer, Heilbronner Arzt,

2 0 Energie und Leistung P Power Leistung; W nach James Watt, engl. Ing. ; W Work Arbeit Beispiel dann von einer Leistung, wenn eine Arbeit in einer Zeit verrichtet wird. Entsprechend wurde festgesetzt: Die Leistung ist der Quotient aus der Arbeit und der für sie benötigten Zeit. Wenn in einer festgelegten Zeit eine Arbeit verrichtet wird, berechnet sich die Leistung mit der Gleichung: Aus dieser Gleichung erhalten wir für die Einheit W der Leistung den folgenden Zusammenhang zu anderen Einheiten: Durch Umstellen der Gleichung folgt J Ws; deshalb wird auch die Arbeitseinheit J als Ws bezeichnet.. Verdampfungsleistung der Kälteanlage Ist der Kältebedarf bekannt, kann die Verdampfungsleistung aus der Betriebszeit für die Kälteanlage ermittelt werden. Betriebszeiten für Kälteanlagen sind beispielsweise für das Abtauen der Verdampfer, oder für nicht vorhersehbare zusätzliche Wärmeströme, notwendig. Für Kälteanlagen wird eine Betriebszeit für den Normalkühlbereich von h/d und für den Tiefkühlbereich von h/d zugrundegelegt. Es gilt: Darin bedeutet: Q Kältebedarf in W, kw, h/d Zeitkonstante, Betriebszeit der Kälteanlage in h/d, Verdampfungsleistung in W, kw. Q 0 Gegeben: Kältebedarf kw. Betriebszeit der Kälteanlage h/d. Gesucht: Verdampfungsleistung in kw! Arbeit Leistung - P Zeit W J s - N m kg m s W P in Ws s kw Q h Q 0 in d -- - kw h -- d Lösung: kw Q h Q 0 d h , kw. d -- W in W 0

3 0 Spezifische Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen Die spezifische Wärmekapazität ist diejenige Wärmeenergie, die benötigt wird um kg eines Stoffes um K zu erwärmen. Die Einheit der spezifischen Wärmekapazität ist: c in Die spezifische Wärmekapazität kann mit dem aufgebauten Versuch gemäß der Abbildung. festgestellt werden. In einem Reagenzglas sind 0 g Wasser in dem anderen 0 g Glyzerin. Abb..: Versuch zum Nachweis der spez. Wärmekapazität Beide Reagenzien sind in ein mit Wasser gefülltes Kalorimetergefäß eingetaucht. Das Wasser im Becher wird erwärmt und gut vermischt. Nach jeweils einer halben Minute wird die Temperatur des Wassers und die Temperatur des Glyzerins in den Reagenzgläsern gemessen. Die Werte werden in die Tabelle eingetragen und anschließend in ein Koordinatensystem eingezeichnet. Tabelle.: m W m G 0 g Zeit-Temperatur-Messwertetabelle in min 0 0,,,,, t G in C 0,,,,, t W in C 0 in min,,,,, t G in C,,,,, t W in C Versuch Kaloriemeter ist ein mit Wasser gefülltes doppelwandiges Gefäß

4 Spezifische Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen in C Und mit der Voraussetzung: Q ergibt sich: Ergebnis: Da die beiden Flüssigkeiten in einem gemeinsamen Wasserbad erwärmt werden, wird ihnen in der gleichen Zeit annähernd die gleiche Wärmeenergie zugeführt. Für gleiche Massen m W m G gilt bei gleicher Temperaturerhöhung nach Gleichung: Abb..: Der Tabelle. entnehmen wir folgende Werte: T 0 K ; W, min ; G min ; Der theoretische Wert beträgt , ,., Koordinatensystem Die Abweichung vom theoretischen Wert beruht auf der sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der beiden Flüssigkeiten! Der Zahlenwert für die spezifische Wärmekapazität wurde in ähnlichen Versuchen ermittelt. Einige dieser Werte sind auszugsweise in den Tabellen. bis. zusammengestellt. Tabelle.: Metall c W c W Spez. Wärmekapazität von Metallen in min Aluminium 0,0 Eisen und Stahl 0, Gold 0, Kupfer 0, g W G c W Q W Q G c W m W T --- m G T c W 0

5 Spezifische Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen 0 Tabelle.: Metall Messing 0, Nickel 0, Platin 0, Silber 0, Zink 0, Zinn 0, Tabelle.: Spez. Wärmekapazität fester Stoffe bei + 0 C Feste Stoffe Spez. Wärmekapazität von Metallen (Fortsetzung) Beton 0, Eis, Eis C, Eis 0 C,0 Eis 0 C, Fett, Glas 0, Gummi,0 Hartgummi, Holz, bis, Kalksandstein 0, Mauerwerk 0, bis, Marmor, Kalkstein 0, Papier, Paraffin bei 0 C/± 0 C, Paraffin bei ±0 C/+0 C, Polyurethan, Porzellan 0, Sandstein 0, Steinkohle, Styropor,

6 Spezifische Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen Tabelle.: Feste Stoffe Tannenholz, Trockeneis (festes CO ), Ziegelsteine 0, bis,0 Zement 0, Tabelle.: Spez. Wärmekapazität von Flüssigkeiten bei +0 C Flüssigkeiten bei + 0 C Äthylalkohol (0 C), Methylalkohol (+ C), Benzol (+ C), Bier, Glycerin (+ C bis + C), Gummimasse, Maschinenöl, Petroleum (+0 C bis + C), Sauerstoff, Seewasser ( % Salzgehalt) Seewasser ( % Salzgehalt) Stickstoff,0 Terpentin (0 C), Wasser (+ C), Tabelle.: Spez. Wärmekapazität von Kältemitteln bei 0 C Flüssige Kältemittel Spez. Wärmekapazität fester Stoffe bei + 0 C (Fortsetzung), ( C), ( C) -- R-00a, R-a, R-, R-0, R-a ( C), R-, 0

7 Spezifische Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen 0 Von allen festen und flüssigen Stoffen besitzt Wasser die größte spezifische Wärmekapazität! Bei gleicher Temperaturerhöhung und der doppelten Wassermasse ist die doppelte Wärmeenergie erforderlich. Die doppelte Wärmeenergie ist auch erforderlich, wenn bei gleicher Wassermasse die doppelte Temperaturerhöhung gefordert ist. Daraus ergibt sich das Grundgesetz der Wärmelehre kg Q m c T in K Es bedeuten: Q Wärmeenergie in, c spezifische Wärmekapazität in -, T Temperaturdifferenz in K. Mit diesem Gesetz kann also die erforderliche Wärmeenergie für die Erwärmung einer bestimmten Masse eines bestimmten Stoffes berechnet werden. Der erwärmte Körper gibt die zugeführte Wärmeenergie wieder ab, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als seine Eigentemperatur. Da Wasser, infolge seiner hohen spezifischen Wärmekapazität imstande ist sehr große Wärmeenergien aufzunehmen, gilt es als ausgezeichneter Wärmespeicher. Diese Wärmeenergie wird, sobald die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Wassertemperatur, wieder abgegeben. Dies erklärt das ausgewogene Klima in der Nähe großer Wassermassen, beispielsweise Meer, Seen und Flüsse.