9. Thermodynamik. 9.5 Wärmetransport Wärmeleitung Konvektion Der Treibhauseffekt. 9. Thermodynamik Physik für E-Techniker

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Manuela Dörte Frei
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1 9. Thermodynamik 9.5 Wärmetransport Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Der Treibhauseffekt

2 9.5 Wärmetransport Man unterscheidet: Wärmeleitung Konvektion Strahlung Energietransport durch Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen Wärmeübertragung gdurch Stofftransport Emission/Absorption elektromagnetischer Strahlung Wärmeleitung λ

3 9.5.1 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 lihsich ihan. Wärme dq, die in Zeit dt durch Fläche übertragen wird = Wärmestrom H A: Fläche (T H T K )/d : Temperaturgradient λ: Wärmeleitfähigkeit mit λ = konst.

4 409,00 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 9.5.2 Konvektion = Wärmetransport durch Massentransport Bi Beispiele: il Heißwassersystem, Kühlsystem eines PCs, Blutkreislauf

6 9.5.3 Wärmestrahlung = Temperaturstrahlung = elektromagnetische Strahlung, die thermisch h 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 = Energie Zeit

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

9 9. Thermodynamik

10 Beispiel: Thermoskanne oder Dewar-Gefäß

11 Aufgabe eines Kühlkörpers - Wegleiten von Verlustwärme vom Bauelement - Abgabe der Wärme durch - Wärmestrahlung und - Konvektion an die Umgebung

12 9.5.4 Der Treibhauseffekt

13 Der Treibhauseffekt Frage: Warum ist Erde so warm? <ϑ 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 Glih Gleichgewicht ih( (und dim Mittel) gilt: T = konstant Mittlere empfangene Strahlungsleistung Solarkonstante ( mittlerer Abstand Erde-Sonne) S = 1353 W/m 2

14 Von der Erde absorbierte Strahlungsleistung r = Reflexionsgrad = 30 % Erde emittiert über die gesamte Oberfläche Im Gleichgewicht gilt: Erdtemperatur T E = 254 K = - 18 o C!!!!!!!!! Frage: Warum ist <ϑ> = + 15 o C????????

15 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

9. Thermodynamik Die Grafik aus einem Entwurf des

Temperatur seit 1998 nicht gestiegen ist.

unterschiedliche Klimaberichte der Uno mit

19 9. Thermodynamik Die Grafik aus einem Entwurf des künftigen Klimareports der Uno zeigt, dass die globale Temperatur seit 1998 nicht gestiegen ist. Die Klimaprognosen über so kurze Zeiträume (farbig) erweisen sich als unsicher. FAR, SAR, TAR, AR4 und ihre Farben markieren unterschiedliche Klimaberichte der Uno mit unterschiedlichen Klimaszenarien. Langfristige Klimaprognosen gelten als vertrauenswürdiger, weil sich kurzfristige Klimaphänomene aufheben können.

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10. Thermodynamik Wärmetransport Wämeleitung Konvektion Wärmestrahlung Der Treibhauseffekt. 10. 10.5 Wärmetransport Inhalt 10.5 Wärmetransport 10.5.1 Wämeleitung 10.5.2 Konvektion 10.5.3 Wärmestrahlung 10.5.4 Der Treibhauseffekt 10.5.1 Wärmeleitung 10.5 Wärmetransport an unterscheidet: Wärmeleitung