Fragenkatalog Wärme Flashcards

Question

Was ist der **Unterschied** zwischen einer **rechtsläufigen und linksläufigen Carnot- Maschine**?

Answer 1

**rechtsläufig** (Wärmekraftmaschine): System wird insgesamt **Wärme zugeführt** und das **System verrichtet Arbeit** (z.B. Dampfmaschine). **linksläufig** (Wärmepumpe oder Kältemaschine): System **Arbeit zugeführt** und dadurch **Wärme gewonnen** wird; **Wärme wird von einem kälteren zu einem wärmeren Reservoir transportiert**, wobei das kalte Reservoir noch kälter wird (z.B. Kühlschrank).

Answer 2

**innere Energie Ei** eines Systems durch Zufuhr von mechanischer Arbeit W und/oder Wärme Q **erhöht** -> zählt die Arbeit W und die Wärme Q als **positive Größen**. Die **Änderung** der inneren Energie ist in diesem Fall **positiv** innere Energie Ei eines Systems **nimmt ab**, **wenn das System mechanische Arbeit W verrichtet und/oder Wärme Q abgibt**. In diesem Fall zählen die Arbeit W und die Wärme Q als **negative Größen**. Arbeit W und Wärme Q müssen **jedoch nicht immer das gleiche Vorzeichen besitzen, sondern können auch entgegengesetzt gerichtet sein.** Wird dem System bspw. Wärme zugeführt, aber gleichzeitig vom System Arbeit verrichtet (ihm Arbeit entzogen), so ist die Wärme Q positiv, die Arbeit W negativ.

Answer 3

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die abgegebene mechanische Arbeit W gleich der Änderung der Wärme in dem System. Die nach außen abgegebene Arbeit W ergibt sich aus der Differenz der zugeführten und abgegebenen Wärme bei den isothermen Teilprozessen: W  Q1  Q2 . Dabei gilt für die Wärmen Q1 > Q2 , da die isotherme Expansion bei höherer Temperatur erfolgt als die isotherme Kompression. Dies ist die Ursache, warum Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren und andere Wärmekraftmaschinen in der Lage sind, mechanische Arbeit zu verrichten. Die von den Isothermen und Adiabaten eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die nach außen abgegebene Arbeit. Sie kann durch Vergrößerung der Temperatur- und Volumendifferenzen verändert werden. 1Tmin Tmax Tmin . TT Er ist also nur von der Temperaturdifferenz des Prozessablaufs abhängig. Da es in der Natur und in der Technik keine vollkommen reversibel ablaufenden Prozesse gibt, ist dies der höchstmögliche Wirkungsgrad, der beim Umwandeln von thermischer in mechanischer Energie erreicht werden kann.

Answer 4

Die** Wärmeleitung**: Hier wird die Wärme durch **Stöße** zwischen verschiedenen Teilchen übertragen. Die **Teilchen selbst verbleiben jedoch an ihrer Stelle**. Beispiel: Kupfer in Grubenlampen. Die **Wärmemitführung (Wärmeströmung, Konvektion)**: Hier wird die Wärme **durch die Bewegung von Materie (Gas oder Flüssigkeit) transportiert. Die Wärme wandert mit der Materie**. Beispiel: Warmwasserheizung. Die **Wärmestrahlung** (Temperaturstrahlung): Hier wird die **Wärme durch Strahlung wie z.B. Licht oder Infrarotstrahlung übertragen**. Dies ist **auch über große Entfernungen und durch ein Vakuum** wie das Weltall möglich. Beispiel: jeder Körper hat Wärmestrahlung, die Sonneinfrarot und UV-Strahlung.

Answer 5

**Wärmeübergang**: Wärme geht von einem **Gas oder einer Flüssigkeit auf eine feste Wand** über. **Wärmedurchgang**: Wärme geht von einem **Gas oder einer Flüssigkeit auf eine feste Wand über, wird durch die Wand geleitet und dann wieder von einem Gas oder einer Flüssigkeit aufgenommen** (mindestens zwei Wärmeübergänge und ein Wärmeleitvorgang).

Answer 6

Ein Maß ist der **Wärmedurchgangskoeffizient**, d.h. der Koeffizient gibt diejenige Wärmemenge an, die durch eine Wand mit der Fläche A bei einem bestimmten Temperaturunterschied fließt.

Answer 7

**Je besser die Wärmedämmung eines Bauteils, desto geringer ist der Wärmedurchgang.**

Answer 8

MitdemNewton‘schesAbkühlungsgesetz Anfangstemperatur, TU als Umgebungstemperatur, k der stoffabhängige Abkühlfaktor bzw. Wärmekoeffizient und t die Zeit. Nach sehr langer Zeit, also wenn t → ∞, kühlt die Temperatur auf die Umgebungstemperatur ab, also T → TU.

Answer 9

Beim ersten Öffnen des Gefrierschranks kommt wärmere Luft in den Gefrierschrank und wird nach dem Schließen abgekühlt. Nach dem Gasgesetz muss sich bei abnehmender Temperatur und gleichbleibendem Volumen der Druck verringern. Entsprechend benötigt man beim zweiten Öffnen mehr Kraft, weil der Druck außen größer ist als innen. (Isochore Zustandsänderung p-T-Diagramm)

Answer 10

Die Luftblasen sind leichter als Wasser **steigen auf und werden größer, weil der Druck abnimmt**. (Isotherme Zustandsänderung p-V-Diagramm) Der Druck sinkt, weil der **Schweredruck des Wassers proportional zur Tiefe ändert.** Das Volumen nimmt gemäß dem Gesetz von Boyle und Mariotte bei konstanter Temperatur und Teilchenzahl mit sinkendem Druck zu. **Die Dichte sinkt, weil bei konstanter Masse das Volumen zunimmt.**

Answer 11

Nach dem Gasgesetz muss sich bei **abnehmender Temperatur und gleichbleibendem Volumen der Druck verringern bzw. umgekehrt** (Isochore Zustandsänderung p-T-Diagramm). Im Winter wird also der **Druck im Reifen geringer** und damit auch die **Auflagefläche was bei glatten Straßen zumindest teilweise sinnvoll ist** (langsam fahren!).

Answer 12

**Am Gas wird Arbeit verrichtet**. Dadurch nimmt die Energie des Gases zu. Alle **Teilchen bewegen sich schneller**, und daher ist die Temperatur höher.

Answer 13

Die **Geschwindigkeiten der Teilchen**, die gegen den bewegten Kolben prallen, sind nach dem Stoß **grösser als vorher**. Die gewonnene **kinetische Energie wird durch Stöße mit den anderen Teilchen im Gas verteilt**.

Answer 14

Es muss **gleich viel Wärme abgeführt werden, wie Arbeit zugeführt wird**. Der Kontakt mit der kühleren Umgebungsluft kann die Wärmeabfuhr bewirken, wenn bei langsamer Kompression genug Zeit für den Wärmetransport vorhanden ist.

Answer 15

Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: **durch Wärmeleitung, durch Wärmemitführung (Wärmeströmung oder Konvektion) oder durch Wärmestrahlung** (Temperaturstrahlung) Im Alltag treten oft **mehrere Arten gemeinsam** auf. Häufig leistet eine Transportart den mit Abstand größten Beitrag zum gesamten Wärmetransport.

Answer 16

Als Arbeitsmittel, das sich in den Rohrleitungen im Kühlschrank und Wärmepumpe befindet, werden Flüssigkeiten mit einer sehr niedrigen Siedetemperatur verwendet. Der Verdampfer befindet sich im Inneren des Kühlschrankes, also im Kühlraum oder im Falle der Wärmepumpe außerhalb des Gebäudes. Dort verdampft (flüssig  gasförmig) das Arbeitsmittel. Die dafür notwendige Wärme, die Verdampfungswärme, wird der Luft und den im befindlichen Lebensmitteln im Kühlschrank oder im Falle der Wärmepumpe der Umgebung (Erde, Wasser, Luft) entzogen. Mit einem Kompressor werden der Druck und die Temperatur des Dampfes erhöht und der Dampf kondensiert, wobei Kondensationswärme frei wird. Diese Wärme wird beim Kühlschrank über die Kühlrippen an der Rückseite des Kühlschrankes an die umgebende Luft abgegeben und bei der Wärmepumpe genutzt, um Wasser in einem Heizkreislauf zu erwärmen, das dann z. B. zur Raumheizung verwendet wird. Anschließend strömt das Arbeitsmittel beim Kühlschrank durch ein Kapillarrohr oder bei der Wärmepumpe zu einem Ventil, wodurch sich der Druck verringert die Siedetemperatur wieder sinkt. Das Arbeitsmittel wird flüssig und gelangt dann wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Answer 17

Der Glaskörper ist evakuiert, es befindet sich also keine Luft darin. Im inneren ist eine blau gefärbte (früher rote) Flüssigkeit, vermutlich ein Alkohol oder Ether, die sich bei Raumtemperatur nahe am Siedepunkt befindet, also bereits in den dampfförmigen Zustand übergeht. Es bilden sich keine Blasen, weil der **Druck** in dem geschlossenen System immer weiter **steigt, je mehr Flüssigkeit verdampft.** Im gasförmigen Zustand nimmt die Flüssigkeit mehr Raum ein, weil sich die Moleküle durch die aufgenommene Wärmeenergie gegenseitig abstoßen. Der feuchte Filzkopf entzieht nun beim Verdunsten des Wassers dem oberen Ende des Glaskolbens Energie in Form von Wärme. Im oberen Teil fängt also der Alkohol wieder an Flüssig zu werden, zu kondensieren. Dadurch nimmt er weniger Platz ein und ein Unterdruck entsteht. In dem geschlossenen System entsteht ein Ungleichgewicht. Unten, bei Raumtemperatur und nahe am Siedepunkt, herrscht ein höherer Druck als oben, wo die Temperatur unter der Raumtemperatur liegt. Der Alkohol ist um einen Druckausgleich bemüht, also steigt der Pegel gegen die Schwerkraft. Dadurch kippt der Trinkvogel in eine fast(!) waagerechte Position, das untere Ende der Röhre wird aus der Flüssigkeit gehoben, der Alkohol kann abfließen und der Druckausgleich kann auch über das Gas stattfinden. Derweil taucht der Schnabel in das Wasser und hält so den Kopf immer feucht und kühl. Die untere Kugel ist größer und der Vogel ist nicht ganz waagerecht ausgerichtet. Die Flüssigkeit fließt also zum größten Teil wieder in den Bauch des Vogels und er richtet sich senkrecht aus. Das Spiel beginnt von vorne.

Answer 18

Es handelt sich nicht um ein Perpetuum Mobile, da der Trinkvorgang in einem geschlossenen System schnell um erliegen kommt. Die Luftfeuchtigkeit steigt dann nämlich rasch an, so dass das Wasser am Kopf nicht mehr verdunsten kann – und so auch keine Wärmeenergie entziehen kann.

Answer 19

Der Grund für die abnehmende Siedetemperatur von Wasser mit zunehmender Höhe ist offensichtlich die Abnahme des Luftdrucks. Nur beim Normaldruck von 1013 hPa auf Meereshöhe ist die Siedetemperatur gerade 100°C. Wird der Luftdruck über den Normaldruck erhöht, so steigt die Siedetemperatur über 100°C. Man nützt dies zum schnelleren Kochen von Speisen im Dampftopf aus.

Answer 20

Erläuterung der **Siedepunktserniedrigung bei Abnahme des Luftdrucks**: Wenn sich im **Wasser beim Sieden Dampfblasen bilden**, so muss der Druck in der Wasserdampfblase (Dampfdruck p) etwa so groß sein wie der Luftdruck b (aufgrund des hydrostatischen Druckes des Wassers muss p sogar etwas größer als b sein). Nimmt der äußere Luftdruck ab, so reicht schon ein niedrigerer Dampfdruck zur Blasenbildung und damit zum Sieden aus. Dies bedeutet, dass die Wasserdampfmoleküle nicht mehr so intensiv auf die Grenzfläche Dampf- Flüssigkeit prasseln müssen. Die mittlere kinetische Energie der Moleküle und damit die Temperatur können geringer sein.

Answer 21

Während der Ankochzeit bildet sich **Wasserdampf, der die Luft aus dem Topfinnern verdrängt**. Ist die Luft vollständig aus dem Topf verdrängt, **strömt Dampf aus dem Ventil, im Topfinnern baut sich ein Überdruck auf**. Den Druckanstieg regelt ein Überdruckventil, das auf zwei Garstufen einstellbar ist. Infolge höheren Drucks **erhöht sich der Siedepunkt des Wassers**. So kocht die Flüssigkeit erst bei 105°C (Stufe I) oder bei 120°C (Stufe II). Die **höhere Temperatur im Topf bewirkt eine Verkürzung der Garzeit und hat einen niedrigeren Energieverbrauch zur Folge.**

Answer 22

Das auf die Blüten aufgebrachte **Wasser wird durch die kalte Luft abgekühlt**. Schließlich wird das **Wasser von 0∘C in Eis von 0∘C übergeführt**. Hierbei wird die **Erstarrungswärme** (335kJ pro Gramm gefrierenden Wassers) **frei**. Diese **Energie sowie die isolierende Wirkung des "Eispanzers" verhindern das Gefrieren der Blüte.**

Answer 23

Man muss **während der Frostdauer kontinuierlich berieseln**, um ständig **Erstarrungswärme zu erzeugen**. Würde man die Berieselung unterbrechen, so würde man aufgrund der **Verdunstungskälte das Gegenteil vom "Blütenschutz"** erreichen.

Answer 24

Je **länger man berieselt, desto schwerer wird der Eispanzer**. Die Triebe könnten das Gewicht nicht mehr aushalten und **würden brechen (Eisbruch)**.

Answer 25

An jedem Glaskörper hängt ein kleines Metallschild, auf dem eine Zahl eingraviert ist. Diese Zahl zeigt die Raumtemperatur in Grad Celsius an. Das gesamte Thermometer ist so hergestellt, dass jeweils der Glaskörper in der Mitte schwebt, dessen Temperaturangabe der gerade herrschenden Raumtemperatur entspricht. Jeder der schwebenden Glaskörper hat eine unterschiedliche Dichte und ist so kalibriert, dass sie bei einer bestimmten Temperatur in der Flüssigkeit schweben, also weder aufsteigen noch absinken. Wenn die Raumtemperatur steigt, dann wird sich nach einiger Zeit auch die Flüssigkeit in der Glasröhre erwärmen. Durch die Erwärmung nimmt die Dichte der Flüssigkeit ab. Dadurch sinkt der Auftrieb der Glaskörper, und sie sinken herab. Umgekehrt wird bei Abkühlung der Flüssigkeit ihre Dichte wieder zunehmen und damit der Auftrieb stärker, die Glaskörper steigen auf. In den meisten Fällen sieht man keinen Glaskörper irgendwo in der Mitte der Röhre schweben. In diesem Fall herrscht eine Temperatur, die zwischen dem unteren Glaskörper im oberen (schwimmenden) Bereich und dem oberen Glaskörper im unteren (abgesunkenen) Bereich liegt. Steigt die Raumtemperatur, dann muss die Umgebungsluft erst Wärme an die Flüssigkeit abgeben, um diese auf die herrschende Raumtemperatur zu erwärmen. Umgekehrt, wenn es im Raum kälter wird, dann muss das Thermometer durch Wärmeleitung (und auch Wärmestrahlung) Wärmeenergie verlieren, um wieder auf die Raumtemperatur zu kommen.

Answer 26

Mit **steigender Temperatur nimmt die Dichte der Flüssigkeit ab**. Nacheinander sinken deshalb immer mehr Kugeln ab. **Zuletzt sinkt die oberste, die also das Schild mit der höchsten Temperatur trägt**.

Answer 27

Nein, es ist eine Öl-Alkohol-Mischung, da der **Volumenausdehnungskoeffizient von Wasser zu klein** ist.

Answer 28

Basiert auf der mit **Temperaturveränderung einhergehenden Volumenveränderung ** des Arbeitsgases. Im Motor (Glaskolben) zwei Bereiche unterschiedlicher Temperatur: **Unten** ist der Glaskolben mit **Kühlwasser** ummantelt, **oben** wird mit einem Bunsenbrenner **geheizt**. Durch den Verdrängerkolben, der sich im gleichen Takt wie der Arbeitskolben bewegt, wird das Arbeitsgas **mal in den oberen, mal in den unteren Teil des Motors** gedrängt. -> Gas erhitzt und expandiert oder es kühlt ab und das Gasvolumen verkleinert sich. Bei der Expansion des Gases wird der Arbeitskolben nach unten gedrückt. Daraufhin hebt sich der Verdrängerkolben nach oben, was zur Folge hat, dass das Arbeitsgas an den Seiten des Verdrängerkolbens vorbei nach unten in den gekühlten Bereich verdrängt wird, wo sein Volumen durch die Komprimierung abnimmt und der Arbeitskolben hebt sich. Beide Kolben sind über Pleuelstangen und eine Welle mit dem Schwungrad gekoppelt, welches, ist es einmal am Laufen, die Bewegung der beiden Kolben kontinuierlich übersetzt und die Verdrängerkolbenbewegung mit einer festen Phasenverschiebung zum Arbeitskolben steuert, wobei der Antrieb durch die vom Arbeitskolben geleistete Arbeit erfolgt. Im Bereich zwischen kalter und heißer Zone befindet sich ein Drahtgitter, ein sogenannter Regenerator, der den Wirkungsgrad der Maschine deutlich erhöht, indem er jedes Mal, wenn das Gas an ihm von einer Zone zur anderen strömt, Hitze bzw. Kälte von den Gasmolekülen aufnimmt und speichert, um sie auf dem "Rückweg" des Gases wieder abzugeben, und somit die schnellere Temperaturveränderung fördert. Die Rotation des Schwungrades lässt sich nutzen um Arbeit zu verrichten, hierbei ist es notwendig, Wärmeenergie in Form der Brennerflamme zu investieren. Umgekehrt kann man das Schwungrad über einen Riemen mit einem (elektrischen) Motor antreiben, man nennt das dann "linksläufig". Hierbei wirkt der Stirlingmotor entweder als Kältemaschine oder als Wärmepumpe, abhängig von der Rotationsrichtung des Schwungrades.

Answer 29

Nein, **stattdessen** sollte man die **Isolierungen entfernen**. Der **Wirkungsgrad steigt, wenn man ihn mit geringer Temperatur kühlt**.

Answer 30

**Kondensation erhöht den Wirkungsgrad** Wenn der **Dampf abgearbeitet** ist und die Turbine verlässt, könnte man ihn mit **Überdruck** (Temperaturen von über 100 Grad) - ins Freie entweichen lassen (wie bei Dampflokomotiven) Sinnvoller ist es, ihn **in einem geschlossenen "Kondensator"** soweit zu **kühlen**, dass ihm genau jene Wärmemenge entzogen wird, die **für den Wechsel vom gasförmigen zum flüssigen Aggregatzustand** erforderlich ist. Der **Dampf kondensiert dadurch zu Wasser** von derselben Temperatur -> Wasser **lässt sich erneut als Speisewasser** für den Dampfkreislauf verwenden **Wasser**nimmt durch **Kondensation** plötzlich ein **geringeres Volumen** ein. Im **Kondensator** entsteht dadurch ein **starker Unterdruck**, der **weit unter dem Luftdruck** liegt. ->**Temperatur-Gefälle** (oder "Enthalpie-Gefälle") zwischen dem Ein- und Ausgang der Maschine der **thermische Wirkungsgrad erhöhen**sich Für den Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks ist dieser Effekt der Kondensation noch wichtiger als die Möglichkeit, das Kondensat als vorgewärmtes Speisewasser erneut zu verwenden.

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