Thermodynamik

1. Thermodynamik Buch, Sexl ab Seite 3

2. Begriffe • Lehre von der Wärme • Umwandlung von Wärme in andere Energieformen • Druck, Temperatur, Volumen

3. Temperatur und Teilchenbewegung • Robert Brown (1773-1858), engl, Botaniker-> Brown‘sche Molekularbewegung youtube • Atome und Moleküle von Stoffen: ständige ungeordnete Bewegung -> Maß für die Temperatur des Stoffes

4. Thermometerarten • Test • Flüssigkeitsthermometer • Bimetallthermometer • elektrische/elektronische Thermometer • Infrarot-Thermometer

5. Thermometerarten Bimetall elektrisch/elektronisch

6. Thermometerarten Flüssigkeits-thermometer Infrarotthermometer

7. Temperaturenskalen • dänischer Astronom Olaf Rømer • erstes Thermometer • Fixpunkte: Gefrier- und Siedepunkt des Wassers (7°, 60°) • 1742: Anders Celsius (Schwede)

8. Temperaturenskalen • Daniel Gabriel Fahrenheit • 1. Fixpunkt: tiefste Temperatur des Winters in Danzig 1708/09: -17,8°C(reproduziert: Nullpunkt mit Eis/Wasser/Salmiak-Gemisch) • 2. Fixpunkt: Gefrierpunkt des Wassers 32 °F • 3. Fixpunkt: Körpertemperatur eines gesunden Menschen 96 °F • Umrechnung: F = °Cx1.8+32

9. Temperaturenskalen Absolute Temperatur: Einheit: Kelvin Fixpunkt: 0 K ... -273 °C (absoluter Nullpunkt) 273 K ... 0 °C Kelvineinheit = Celsiuseinheit Negative Kelvingrade

10. Temperatur-Volumsänderung bei V0 = 50 cm3 Spiritus Steigung k = ΔV/ΔT Volumsänderung ΔV [cm3] ΔV/ΔT ~V0 ΔV d.h. ΔV/ΔT =γV0 γ: Volumen-ausdehnungskoeffizient ΔT Wasser Temperaturänderung ΔT [K]

11. Volumen nach Temperaturänderung = V0 +γV0 ΔT V = V0+ ΔV Was istγ? bei V0 = 1 m3 ΔV/ΔT =γV0 = γ1m3 γ gibt die Zunahme des Volumens von 1 m3 eines Stoffes bei Erwärmung um 1K an

12. Längenänderung nach Temperaturänderung = V0 +γV0 ΔT V = V0+ ΔV Analogie: l = l0 +αl0 ΔT α Längenausdehnungskoeffizient α gibt die Längenzunahme eines 1 mlangen Körpers bei Erwärmung um 1K an Rechenbeispiele im Buch: S 10/11

13. Wärmephänomene • Diffusion • Wärmetransport: Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmestrahlung

14. Diffusion • Beispiel: Teebeutel im Wasser • Durchmischung durch thermische Bewegung

15. Wärmetransport: Wärmeströmung Wärmeströmung: Beispiel1: Raumlufttemperatur -> Zirkulation (Konvektion)

16. Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel2: Zirkulation der Luft durch Wärmeströmung Tag: Meer - Land Nacht: Land - Meer

17. Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel3: Erdinneres (Konvektion)

18. Wärmetransport: Wärmeströmung Beispiel4: Aufwinde Beispiel5: große Windsysteme auf der Erde Beispiel6: Golfstrom

19. Anomalie des Wassers • 0° - 4°: höhere Dichte -> Wasser sinkt ab Ursache: Bau des Wassermolküls -> höhere Dichte • Eis schwimmt im Wasser Ursache: Aufbau der Kristalle -> geringere Dichte • Bedeutung für die Natur

20. Eisberge

21. Wärmetransport: Wärmeleitung Wärmeleitung: gute/schlechte Wärmeleiter gute: Metalle schlechte: Holz, Kork,... Beispiel1: Griffe bei Kochgeschirr Beispiel2: Wärmedämmung (Haus) Gibt es Kälteleitung?

22. Wärmetransport: Wärmestrahlung Wärmestrahlung: elektromagnetische Strahlung Infrarot für unsere Augen unsichtbar Infrarotsensoren: Wärmebildkamera, Schlangen Schlangen nehmen Beutetiere wie Wärme-bildkameras wahr

23. Das ideale Gas • Modell -> mathematisch-physikalisch beschreibbar • IDEALES GAS: - Teilchen (Moleküle) haben kinetische Energie (Wärme) • Teilchen sind materielle Punkte (kein Volumen) • Keine Kräfte (Van der Waals) zwischen den Teilchend.h. große Abstände - Moleküle üben elastische Stöße aus (Druck: Stöße auf Gefäßwand)

24. reales - ideales Gas • in Natur: reales Gas • Edelgase kommen dem idealen Gas nahe • Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck ist ideal • Beispiel: Gase in Verbrennungsmaschinen

25. Zustandsgrößen idealer Gase • DRUCK • TEMPERATUR • VOLUMEN 4. (ENERGIE)

26. Zustandsgleichung idealer Gase p V = n R T p ... Druck V ... Volumen n ... Molanzahl R ... allgemeine Gaskonstante (8,3 J mol-1 K-1 ) T ... absolute Temperatur R = NL * k NL ... Loschmidt‘sche Zahl k ... Boltzmann Konstante (1,38 10-23 J K-1

27. Zustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) 3D-Fläche

28. Zustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) 3 Achsen: p, V, T

29. Zustandsgrößen idealer Gase(Darstellung)

30. Zustandsgrößen idealer Gase(Darstellung)

31. Zustandsgrößen idealer Gase(Darstellung) Zustandsänderungen:(change of state) isobar isochor isotherm adiabatisch

32. Wärmekraftmaschinen(heat engines) • ... sind periodisch arbeitende Maschinen • ... sie transportieren Wärme zwischen zwei Wärmebehältern mit unterschiedlichen Temperaturen TH > TC

33. Wärmekraftmaschinen(heat engines) • ... verwenden eine Arbeitssubstanz (Gas, Flüssigkeit) • ... sind Systeme, durch die Energie fließt • Motoren: verrichten Arbeit (do work) • Wärmepumpen(heatpumps): transportieren Wärme

34. Verbrennungsmotoren(combustions engines) Die chemische Energie des Kraftstoffs (Benzin, Diesel, Gas, ...) wird bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt. Bei der Expansion des Verbrennungsgases wird Arbeit verrichtet.

35. Ottomotor - Aufbau Zündkerze Zylinder Ventile Kolben Pleuelstange Kurbelwelle

36. Ottomotor – motor structure sparkplug cylinder valves piston connectingrod crankshaft

37. Viertaktmotor: Funktionsweise(four stroke engine) • Ansaugtakt • Verdichtungstakt • Arbeitstakt • Auspufftakt

38. 4 stroke engine: functioning(four stroke engine) • intake or induction stroke • compression stroke • power stroke • exhaust stroke

39. Zweitaktmotor: Merkmale(two stroke engine) Zwei Takte: Ausströmkanal 1. Arbeitstakt 2. Spülen, Befüllen, Verdichten Ventile -> Kanäle Überströmkanal

40. two stroke engine: characteristics two strokes: exhaustport 1. Working cycle 2. flushing, filling, compression valves -> ports transferport

41. Zweitaktmotor: Funktionweise(two stroke engine – how does it work) http://www.youtube.com/watch?v=ooJYsOz1z7Y

42. Two stroke engine: how does it work description

43. Zweitaktmotor • Treibstoff: Benzin-Öl-Gemisch • Einsatz: Rasenmäher, Kettensäge, ... • Nachteile: -keine vollständige Verbrennung des Treibstoffs- laut

44. two stroke engine • fuel: petrol-oil-mixture • application: lawnmower, gas chain saw, ... • disadvantages: -inefficient burning (fuel)- noisy

45. Benzinmotor - Dieselmotor • Ottomotor: Verdichtetes Benzin-Luft-Gemisch wird mit Zündkerze zur Explosion gebracht • Dieselmotor: Luft wird angesaugt und im Zylinder verdichtet. Dadurch erreicht die Luft die Zündtemperatur des Treibstoffs (Diesel). Beim Einspritzen des Treibstoffs kommt es zur Entzündung und dann zur Verbrennung. • Dieselmotor: Einspritzpumpe statt Zündkerze

46. Petrol engine – diesel engine • Otto engine: compressed fuel/air mixture is ignited by a spark plug -> explosion • diesel engine: air is sucked in and is compressed in cylinder. Finally the air has the ignition temperature of the fuel (diesel). The fuel injection causes an ignition and finally a combustion. • diesel engine: no spark plug but an injection pump

47. p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren • p*V hat die Dimension der Arbeit Rechenmethode: Integrieren

48. p-V-diagram of combustion engines • p*V has the same dimension as work (power) areacalculation: integrate

49. Das Integral Integrieren: Flächenberechnung unter einer Kurve

50. p-V-Diagramm von Verbrennungsmotoren