Physik der Anlagenmechanik

Begriffe und Definitionen aus der Wärmelehre

Wärmekonvektion:
Die Wärmekonvektion ist der Wärmetransport durch Strömung von Flüssigkeiten und Gasen. Konvektion bedeutet so viel wie mitführen.

Wärmestrahlung:
Die Übertragung von Wärmeenergie durch elektromagnetische Wellen zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur die sich nicht berühren. Als Beispiel sei die Wärmestrahlung im Weltraum von der Sonne auf die Erde genannt. Die Strahlung ist an kein Medium gebunden.

Wärmeleitfähigkeit:
Die Eigenschaft von Stoffen Wärme zu leiten bezeichnet man als Wärmeleitfähigkeit. Die stoffspezifische Größe wird nach genormten Messverfahren ermittelt. Dabei wird die Wärmemenge in Joule bzw. in Wattsekunden (Ws) gemessen, die in einer Sekunde durch ein Quadratmeter einer ein Meter dicken homogenen Stoffdicke senkrecht zu den Oberflächen fließt, wenn der Temperaturunterschied 1 Kelvin beträgt. Der Rechenwert für die Wärmeleitfähigkeit ist ? (Lamda) in W / (m•K).

Wärmetechnik,Wärmeleiter Wärmeübertragung durch Konvektion

Luftzirkulation im Raum je nach Standort des Wärmeerzeugers

Dagegen sind bei der Wärmeleitung die Moleküle ortsfest und geben Schwingungsenergie durch eine Vielzahl von Stößen von Molekül zu Molekül weiter. Die Moleküle wandern dabei selbst nicht mit. Verschiedene Metalle wie Kupfer, Aluminium und Eisen leiten die Wärme gut. Glas, Holz und Kunststoffe sind schlechte Wärmeleiter. Handgriffe bei Armaturen bestehen daher aus Kunststoffen.

Wärmeleitung Stoß folgt auf Stoß

Häufig treten Wärmeleitung und Konvektion gemeinsam auf. Strömt die Luft an einer festen Wand entlang, ist die Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar an der Wand sehr klein. In dieser Grenzschicht findet kaum eine Wärmemitführung oder Konvektion statt. Der Transport der Wärme ist stark behindert. Bei Isolierstoffen wirkt das vorteilhaft. Bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird die Grenzschicht dünner und somit der Wärmetransport erhöht. Dieser physikalische Effekt kommt einem Autokühler zugute.

Wärmelehre, Thermodynamik - Der Wärmezustand der Körper

In der Wärmelehre oder Thermodynamik findet man den Zusammenhang zwischen Volumen und der Temperatur der Luft mit Hilfe eines einfachen Gasthermometers. Dieses Thermometer besteht aus einer 30cm langen Kapillare von 1mm2 Innenquerschnitt, die oben in eine kugelförmige Erweiterung und danach in ein anschließendes weiteres Rohr übergeht. Die Kapillare wird schräg gestellt und in die obere Kugel wird ein Tropfen Quecksilber eingebracht. Die Öffnung des Proberöhrchens wird im schrägen Zustand in ein weiteres Glasröhrchen mit einem scharfen Trockenmittel gesteckt, damit der Wasserdampf, welcher die Versuchsergebnisse verfälscht, entweicht. Nach einigen Tagen saugt man mit einer Glasspritze etwas Luft aus der Kapillare. Nun drückt der äußere Luftdruck den Quecksilbertropfen in die Kapillare hinein. In der senkrecht gestellten Kapillare bleibt der Druck der eingeschlossenen Luft konstant.

Beim ersten Versuch stecken wir die Kapillare in schmelzendes Eis, und die eingeschlossene Luft zieht sich zusammen. Auf dem Glasröhrchen wird das Volumen bei 0°Celsius markiert. Ebenso markieren wird die Kapillare bei 100°C heißem Wasserdampf. Man erkennt durch Augenschein eine nicht ganz dreifache Volumenzunahme bei diesem Versuch. Wenn man die Versuche mit Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Gasen wiederholt, bekommt man das gleiche Ergebnis. Es ergibt sich das Gesetz in der Wärmelehre von Gay-Lussac welches besagt:

Alle Gase dehnen sich beim Erwärmen von 0°C auf 100°C um den 2,73ten Teil ihres Volumen bei 0°C aus, wenn Druck und Gasmenge konstant sind.

Auch dieses Gesetz sowie das Gesetz von Boyle und Mariotte, ist in der Wärmelehre ein Näherungsgesetz. Ein Gas, das beiden Gesetzen gehorcht und beim Abkühlen nicht flüssig wird, wird als ein ideales Gas bezeichnet. Wasserstoff und Helium kommen bei niedrigem Druck dem idealen Gaszustand sehr nahe.

Während sich die einzelnen Flüssigkeiten verschieden stark und ungleichmäßig ausdehnen, zeigen Gase ein einfaches von ihrer chemischen Beschaffenheit unabhängiges Verhalten. Deshalb kann man mit ihrer Hilfe eine Temperaturskala festlegen, indem man das Volumen des Gasthermometers zwischen V0 und V100 in gleiche Teile aufteilt. Auf jeden so festgelegten Gradschritt dehnt sich das Gas bei Erwärmung um 1 Grad um den 273.sten Teil seines Volumen aus, sofern der Druck konstant bleibt. (Gesetz von Gay-Lussac)

Beim Gas nimmt das Volumen weiter ab, wenn man es unter 0° Celsius abkühlt. So kann man mit dem Gasthermometer auch Temperaturen unter 0°C messen. Die Teilung auf der Kapillare wird in gleicher Weise nach unten fortgesetzt, und mit negativen Werten versehen. Das untere Ende der Kapillare wird mit minus 273°C bezeichnet. Dies stimmt mit dem Gesetz von Gay-Lussac überein, und gäbe es ein Gas das dieses Gesetz befolgt, so wäre bei -273°C sein Volumen null. Eine Abkühlung unter -273°C ist nicht möglich, daher ist diese Temperatur der absolute Nullpunkt. Bei dieser Temperatur gibt es in einem Stoff keine Bewegung der Atome. Wird von diesem Bezugspunkt gemessen, vermeidet man negative Werte und erhält die sog. absolute Temperatur 0° K (Kelvin). Seit 1967 heißt es nur noch 0 K. Das K (Kelvin) ist nach dem englischen Physiker William Thomson, dem späteren Lord Kelvin benannt. Dieser Physiker führte im jungen Alter von 24 Jahren die thermodynamische Temperaturskala ein. Diese fängt bei null Kelvin an und hat die gleiche Gradierung wie die Celsiusskala. Der Gefrierpunkt des Wassers liegt somit bei 273 K. Das Kelvin wird in der Wärmelehre bei Temperaturdifferenzen verwendet.

Ein Quecksilberthermometer liefert im Rahmen bestimmter Messgenauigkeiten im normalen Temperaturbereich gleiche Werte gegenüber von Gasen. Oberhalb von 200°C in der Nähe des Siedepunktes von Quecksilber treten jedoch bei Messungen erhebliche Unterschiede in der Ausdehnung auf.

Ein Gasthermometer hat den Nachteil, dass sich der Anfangsdruck durch tägliche Luftdruckänderungen bei verschiedenen Wetterlagen abweicht, und somit in der praktischen Wärmelehre nicht geeignet ist.

Wärme und Arbeit - Das mechanische Wärmeäquivalent - Perpetuum Mobile

Bei allen Reibungsvorgängen erhöht sich die Temperatur. Fährt man irrtümlich mit einem Auto mit angezogener Handbremse, so werden nach kurzer Zeit die hinteren Felgen heiß, weil sich dorthin die Reibungswärme der Bremstrommel überträgt. Die beim Reiben entstehende Wärmemenge ist der Reibungsarbeit proportional. Wärmeenergie und mechanische Energie können wechselseitig umgewandelt werden. Die innere Energie eines Systems nimmt zu, wenn man an ihm Arbeit verrichtet oder ihm Wärme zuführt. Arbeit und Wärmemenge sind einander nach der folgenden Beziehung äquivalent: 1 kcal gleich 427 kpm und umgekehrt, also haben gleiche Werte.(mechanisches Wärmeäquivalent) Dieser erste Hauptsatz der Wärmelehre läßt sich auf die geniale Entdeckung des Heilbronner Arztes Julius Robert Mayer(1814-1878) zurückführen.

Mayer war der Vorreiter des Prinzips von der Erhaltung der Energie. Der Universalgelehrte Hermann von Helmholtz (1821-1894) sprach den Energiesatz in der folgenden, alle Energiearten umfassenden Form detaillierter als Mayer aus:

In einem abgeschlossenen System, also ein System, dem von außen Energie weder zugeführt noch entzogen wird, ist die innere Energie unveränderlich.

Seine Richtigkeit wird durch die vielen Bemühungen unzähliger Erfinder bestätigt, ein Perpetuum Mobile zu bauen. (lateinisch: perpetuus andauernd; mobilis beweglich). Es handelt sich um eine Maschine, die nicht nur in ständiger Bewegung bleibt, sondern darüber hinaus mehr Energie abgibt als sie aufnimmt.

Helmholtz-Statue vor der Berliner Humboldtuniversität

Eine knappe Form des Energiesatzes lautet: Ein Perpetuum Mobile ist unmöglich.

Dieser Satz von der Erhaltung der Energie wurde an den verschiedenartigsten Experimenten geprüft und immer wieder bestätigt. Durch seine umfassende Geltung geht seine Bedeutung weit über anderen physikalischen Sätzen hinaus. Die gesammte Natur wird vom Prinzip von der Erhaltung der Energie beherrscht.

Kältemaschine Luftverflüssigungsverfahren flüssige Luft - Luftverflüssigung

Durch Verwendung einer Sauerstoffflasche kann man den ersten Teil des Lindeschen Verfahrens (Kompression und Wärmeableitung) vorwegnehmen. In einem Thermosgefäß lässt man den vorgekühlten Sauerstoff durch eine mehrlagige Kupferspirale durchströmen. Am Boden des Gefäßes befindet sich das Ende der Spirale, und durch eine sehr feine öffnung kann der Sauerstoff ausströmen. Mittels Vorkühlen durch flüssige Luft und dem Lindeschen Gegenstromverfahren wurde bereits 1908 durch den Niederländer Kamerlingh Onnes Helium bei 4° Kelvin als letztes Gas verflüssigt.

Bei einer Kältemaschine (Kühlschrank) wird in einem Kompressor das Kältemittel im ersten Takt verdichtet und durch ein Ventil in den Kühler geleitet. Kältemittel sind Arbeitsstoffe die durch Verdampfen bei niedriger Temperatur und niedrigen Druck Wärme aufnehmen. Umgekehrt geben sie bei höherem Druck und höherer Temperatur Wärme ab.

Im Kühler wird die durch die Verdichtung entstandene Wärme an die Außenluft abgegeben. Das auf Zimmertemperatur abgekühlte Kältemittel wird flüssig und anschließend durch ein Regelventil entspannt. Es gelangt in einen Wärmeaustausche, verdampft und entzieht dem Wärmeaustauscher die dafür erforderliche Verdampfungswärme. Von da aus gelangt es durch ein zweites Ventil wieder in den Kompressor.

Schema der Kältemaschine mit Kompressor

Verlegt man den Kühler in ein Zimmer, und den Wärmeaustauscher ins Freie, so läst sich die Kältemaschine als Raumheizung verwenden. Die zum Verdampfen erforderliche Wärme wird der Außenluft entzogen, während die Kompressionswärme an die Luft im Zimmer abgegeben wird. Aus der Kältemaschine wird eine Wärmepumpe, welche Wärme von draußen ins Haus pumpt. Die Technik der Wärmepumpe ist also schon lange bekannt. Früher waren jedoch die Preise für fossile Brennstoffe im Vergleich zu heute niedrig und sie wurden ohne Bedenken verbrannt. Daher konnte sich in früheren Zeiten die Wärmepumpe aus Kostengründen am Markt noch nicht durchsetzen.

Grundlagen der Strömungslehre

Das Experiment zeigt also, werden Teilchen in Strömungsrichtung beschleunigt, so nimmt der Druck ab, werden die Teilchen verzögert, so steigt er. Mit wachsender Stromliniendichte nimmt entlang der Stromlinie der Druck ab, mit abnehmender Stromlinie dagegen zu.

Praktische Anwendungen der Strömungslehre
Bei einer Wasserstrahlpumpe wird der Querschnitt des aus einer engen Düse sehr schnell strömenden Wasserstrahls auf ein Vielfaches erweitert bis er an der freien Luft auf Atmosphärendruck kommt. An der engen Stelle bildet sich ein starker Unterdruck aus. Mit dem Unterdruck einer Wasserstrahlpumpe wurden früher in Kellern tiefer gelegene Wasserschächte nach einem starken Regenfall leer gepumpt. Die elektrischen Wasserpumpen die man heutzutage in Baumärkten kaufen kann, gab es früher nicht. Dafür braucht die Wasserstrahlpumpe keine elektrische Antriebsenergie.

Funktionsprinzip einer Wasserstrahlpumpe

Wenn der Wind über die Wasseroberfläche gleitet, werden an einer zufälligen Erhebung der Grenzflächen, die darüber liegenden Stromlinien zusammengedrängt, und es entsteht ein Unterdruck. Das Wasser wird stärker angehoben; es entsteht ein Wellenberg. Im Wellental haben die Stromlinien dagegen einen größeren Abstand. Der somit entstehende überdruck vertieft das Tal noch mehr. Diese Erscheinung tritt auch bei einer Fahne auf, wenn der Wind entlang dem Fahnentuch streicht. Die Fahne flattert im Wind.

Wenn zwei Schiffe nahe beisammen fahren, werden durch die zusammengedrängten Stromlinien die Schiffe zueinander gezogen.

Ein wichtiges Kapitel bildet die Strömungslehre in der Luftfahrt.

Wellenentstehung