Konvektion. Prinzip: Bei Konvektion ist Wärmetransport an Materialtransport. Beispiel: See- und Landwind

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1 Konvektion Fluides Medium dehnt sich durch Erwärmung lokal aus erwärmte Stoffmenge hat kleinere Dichte steigt auf und wird durch kälteren Stoff ersetzt Konvektionskreislauf Prinzip: Warme Flüssigkeit steigt auf Zone lokaler Erwärmung Kalte Flüssigkeit sinkt ab Bei Konvektion ist Wärmetransport an Materialtransport gebunden! Beispiel: See- und Landwind Konvektion ist extrem wichtig für Wetterablauf, Klima, Ozeane etc. Beispiel: Windbildung an Küsten im warmen Klima (z.b. Mittelmeer) Tag kalte Luft strömt nach warme Luft steigt auf Nacht warm kalt kühl kühl Seewind Landwind 4 Wärmetransport 06. Mai 2009

2 Wärmeleitung Wird starres Medium lokal erwärmt, breitet sich die Wärme durch Stöße der AM bzw. Elektronen aus. Dabei erfolgt kein Materialtransport. Die Wärmeleitung ist Geometrie- und materialabhängig: dq dt = λadt dx λ = Wärmeleitzahl: Prinzip: T 2 T 1 T Aufwärmvorgang T >T 2 1 T dx dq/dt TdT stationärer Zustand T 1 x Stab mit konstantem Querschnitt A Material λ [ W/(mK)] Kommentar Kupfer 393 Metalle: Wärmeleitung Eisen 67 durch Leitungselektronen Beton 2.1 Stöße der AM im Glas 0.8 Festkörper Wasser 0.6 Stöße der AM in Flüssigkeit Luft Klein wegen geringer Dichte Wärmeleitungsgleichung: Raum- und Zeitabhängigkeit der Temperatur im allgemeinen (nicht-stationären) Fall: T t = λ ( 2 ) T cρ x 2 T 2 y 2 T 2 z 2 Wichtig z.b. bei Berechnung der Wärmeverluste durch Wände oder Fenster! 4 Wärmetransport 06. Mai 2009

3 Wärmestrahlung Prinzip: Wärme (d.h. die kinetische Energie der AM) wird in elektromagnetische Strahlung umgesetzt, die von jedem Körper abgestrahlt (und absorbiert) wird. Die Wellenlänge der Strahlung fällt mit T: Mensch, Herdplatte: infrarot Glühende Kohle, Sonne: sichtbar Wärmetransport durch Strahlung ist nicht an Vorhandensein von Materie gebunden sonst würde keine Energie von der Sonne zu uns kommen! Das Stefan-Boltzmann sche Gesetz: Die gesamte als Wärmestrahlung abgegebene Leistung einer Fläche A mit Temperatur T ist dq dt = ǫσat4 σ = W K 4 m = 2 Stefan-Boltzmann-Konstante ǫ = Emissionsgrad, 0 ǫ 1 ǫ hängt ab von Material, Oberflächenbeschaffenheit, Farbe: umso heller/spiegelnder, desto kleiner ist ǫ. Wärme Strahlung Detektor Versuch: Messung der Strahlungsleistung verschiedener Seiten eines geheizten Würfels. 4 Wärmetransport 06. Mai 2009

4 Die elektrische Ladung Elektrische Ladung ist die Quelle aller elektrischen Phänomene Eigenschaften der elektrischen Ladung: Es gibt positive und negative Ladungen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an: F 12 F 21 F 12 F 21 Physikalisches Symbol und Einheit: F 12 F 21 Ladung = Q; [Q] = C = Coulomb Ladung ist in ganzzahligen Vielfachen einer Elementarladung e gequantelt: e = C. Ladung ist stets an Teilchen gebunden: Teilchen Ladung Elektron Q e = e = C Proton Q p = e = C Neutron Q n = 0 Atomkern Q Kern = Ze In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtladung erhalten: Q tot = i Q i = const. Durch Ladungstrennung können auch bei Q tot = 0 elektrische Phänomene erzeugt werden. 5 Grundlagen der Elektrizitätslehre 06. Mai 2009

5 Ladungstrennung und -messung Ladungstrennung: Reiben verschiedener Materialien (Isolatoren) aneinander Elektronen wandern bevorzugt zu einem Material Ladungstrennung. Bandgenerator: kontinuierliche Aufladung durch Ladungstrennung. Ladungs abgriff Band (z.b. Gummi) Metall Hohlkugel Ladungs trennung Ladungsmessung: Ausnutzung der Abstoßung gleichnamiger Ladungen. Zum Beispiel in Elektrometer: Drehmoment auf Zeiger steigt mit Gesamtladung. isolierender Rahmen Q Ladung Q Metall 5 Grundlagen der Elektrizitätslehre 06. Mai 2009

6 Ladungstransport und Strom Ladungstransport: Ladung immer an (massebehaftete) Teilchen gebunden Ladungstransport ist immer mit Materialtransport verbunden. Verschiedene Transportmechanismen: Elektronen in elektrischem Leiter (z.b. Metall); Ionen in Flüssigkeit (z.b. Salzlösung); Funken: Stromfluss entlag einem Kanal ionisierten Gases; Ladungslöffeln : Transport eines makroskopischen geladenen Objekts. Elektrischer Strom: Ladungstransport pro Zeit durch eine gegebene Querschnittsfläche (z.b. Drahtquerschnitt) Definition: el. Strom = I = lim t0 Q t = dq dt = Q [I] = Ampère = A = C s Ampère ist eine SI-Basiseinheit Ladungseinheit Coulomb ist davon abgeleitet. Definition von Ampère über Kraftwirkung stromdurchflossener Drähte aufeinander (siehe Kap. 4.3). 5 Grundlagen der Elektrizitätslehre 06. Mai 2009