Fragenkatalog Wärme

Question 1

Was ist Wärme?

Answer 1

Eine Prozessgröße, eine Energie, welche zwischen zwei Systemen aufgrund von Temperaturunterschieden übertragen wird

Question 2

Was ist Temperatur?

Answer 2

Zustandsgröße, Maß für die bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers

Question 3

Was ist innere Energie?

Answer 3

beschreibt die Temperatur eines Körpers

Question 4

Wie kann man die innere Energie erhöhen

Answer 4

durch Arbeit oder Wärmezufuhr (delta U=Q+W)

Question 5

wozu ist die Änderung der inneren Energie proportional?

Answer 5

Zur Temperaturänderung und masse m

Question 6

Was beschreibt der erste HS der Thermodynamik?

Answer 6

delta U=Q+W

-> innere Energie kann also durch Zufuhr von Wärme oder am System verrichtete Arbeit erhöht werden

Question 7

Welche Einschränkungen gibt es beim 1.HS der Thermodynamik?

Answer 7

es besagt dass Wärme und Arbeit gleichwertige Energieformen sind
->eine Zustandsänderung kann in beide Richtungen verlaufen und ist somit reversibel

Doch alle in der Natur ablaufende Vorgänge sind irreversibel -> um diese Prozesse besser erfassen zu können müsste man die Entropie S einführen

Question 8

Was beschreibt die spezifische Wärmekapazität eines Körpers?

Answer 8

Die Speicherung der Energie, die für jeden Körper unterschiedlich ist

Question 9

Beispiele für Wärmekapazitätauswirkungen

Answer 9

**milde Winter in der Nähe von Meeren

Land- und Seewind zirkulation**

Question 10

Wie kann man Aggregatzustände noch nennen?

Answer 10

Phasen

Question 11

Welche Aggregatzustände gibt es?

Answer 11

Fest, flüssig, gasförmig

Question 12

fester Aggregatzustand teilchenebene

Answer 12

Teilchen sind fest miteinander, dem sog. Kristallgitter verbunden

Körper hat eine bestimmte Form

Question 13

flüssiger Aggregatzustand teilchenebene

Answer 13

Flüssigkeit passt sich der Form des Gefäßes an, dicht gepackte Teilchen, beweglich und führen unregelmäßige Zitterbewegung aus

Question 14

gasförmiger Aggregatzustand teilchenebene

Answer 14

Teilchen bewegen sich frei im räum, stoßen gegenseitig und gegen Begrenzungen, große Abstände

Question 15

Phasenübergänge Grafik

Question 16

Welche Energieumwandlung gehen vor sich wenn man Eis und warmes Wasser mischt?

Answer 16

Energieunterschied(abgegeben)=Energieunterschied(aufgenommen)

Das warme Wasser gibt Wärme ab, um damit das Eis zu schmelzen (Epot) und das kalte Wasser zu erwärmen(Ekin)

Question 17

Beispiel Phasenübergänge

Answer 17

Föhnluft wird auf einmal heiss, wenn haare trocken sind -> während dem Phasenübergang benötigt das Wasser Energie, welche unter anderem der Kopfhaut entzogen wird (dadurch kühlt das ab)

Question 18

Mischtemperatur 4l 14 grad
2l 80 Grad

Answer 18

1/6(414 + 280) = 36

Question 19

Was ist ein thermodynamisches System?

Answer 19

Ein thermodynamisches System befindet sich in einem bestimmten zustand (heiss, kalt, niedriger/hoher Druck) was durch die Zustandsgrößen T,p und V beschrieben wird

Question 20

Welche thermodynamische Systeme gibt es?

Answer 20

abgeschlossen

geschlossen

offen

adibiatisch

Question 21

Welche Zustandsänderungen gibt es bei Gasen?

Answer 21

isochor (direkt proportional)

Isobar (direkt proportional)

isotherm (indirekt proportional)

Question 22

Welche drei Gasgesetze gibt es und was ergibt sich daraus?

Answer 22

Gay Lussac (p konstant)
Amontons (V konstant)
Boyle (T konstant)

pxV=mxrxt

Question 23

Was besagt der 2.HS der Thermodynamik

Answer 23

Alle in der Natur ablaufenden Vorgänge sind irreversibel

Der 2. HS schränkt den 1. HS ein: Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs.“

Eine solche Maschine wird als Perpetuum mobile 2. Art bezeichnet.

Eine entsprechende Formulierung des 2. Hauptsatzes lautet: Ein Perpetuum mobile 2. Art ist unmöglich.

Question 24

Was ist ein Kreisprozess?

Answer 24

eine Folge von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums (Flüssigkeit, Dampf, Gas), die periodisch abläuft, wobei immer wieder der Ausgangszustand, gekennzeichnet durch die Zustandsgrößen wie u.a. Druck, Temperatur und Dichte, erreicht wird.

Question 25

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

Answer 25

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).

Question 26

Festlegung des Vorzeichens einer Größe eines Systems

Answer 26

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.

Question 27

Wirkungsgrad Carnotischer Kreisprozess

Answer 27

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.

Question 28

Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: Nenne alle drei Arten, beschreibe sie kurz in Stichworten und gib jeweils ein Beispiel an.

Answer 28

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.

Question 29

In Natur und Technik unterscheidet man zwischen Wärmeübergang und Wärmedurchgang. Was ist der Unterschied?

Answer 29

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).

Question 30

Wie kann man den Wärmedurchgang messen?

Answer 30

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.

Question 31

Worauf sollte man bei Bau eines energieeffizienten Gebäudes u.a.achten?

Answer 31

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

Question 32

Wie kann man den Temperaturausgleich zwischen einem Körper und seiner Umgebung bestimmen?

Answer 32

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.

Question 33

Erkläre was du beobachtest, wenn du einen abgedichteten Gefrierschrank zweimal hintereinander öffnest und warum

Answer 33

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)

Question 34

Erkläre was du bei aufsteigenden Luftbläschen im Aquarium beobachten kannst und warum.

Answer 34

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.

Question 35

Abhängigkeit des Luftdrucks von der Temperatur in Reifen

Answer 35

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!).

Question 36

Beim Aufpumpen eines Fahrradreifens wird die Luft in der Luftpumpe komprimiert, bevor sie durch das Ventil strömt und die Luftpumpe erwärmt sich.

Warum steigt die Temperatur obwohl keine Wärme zugeführt wird?

Answer 36

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

Question 37

Beim Aufpumpen eines Fahrradreifens wird die Luft in der Luftpumpe komprimiert, bevor sie durch das Ventil strömt und die Luftpumpe erwärmt sich.

Gib eine Erklärung für die Temperaturzunahme mit dem Teilchenmodell an.

Answer 37

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.

Question 38

Beim Aufpumpen eines Fahrradreifens wird die Luft in der Luftpumpe komprimiert, bevor sie durch das Ventil strömt und die Luftpumpe erwärmt sich

Unter welchen Umständen ist eine isotherme Kompression, also mit konstanter Temperatur möglich?

Answer 38

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.

Question 39

Wie findet Wärmetransport stattfinden?

Answer 39

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.

Question 40

Erkläre was ein Kühlschrank und eine Wärmepumpe gemeinsam haben und was sie unterscheidet.

Answer 40

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.

Question 41

Wie funktioniert die trinkende Ente?
Wird der Schnabel (evtl. auch der Kopf) der Ente zu Beginn des Versuches mit Wasser oder noch besser mit Alkohol befeuchtet, so steigt die Flüssigkeit in dem Rohr hoch. Erläutere, wie es dazu kommt und was die Folgerung ist.

Answer 41

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.

Question 42

Stellt man nun noch ein Glas Wasser so auf, dass die Ente im tiefsten Punkt “Wasser säuft”, so hat man ein Perpetuum Mobile erreicht. Oder doch nicht?

Answer 42

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.

Question 43

Wenn man in München mit einem genauen Thermometer die Siedetemperatur von Wasser misst, so stellt man nicht 100°C sondern je nach Wetterlage 97-98°C fest.
Noch deutlicher ist die Abweichung der Siedetemperatur von 100°C, wenn man sie auf hohen Bergen misst (Möglichkeit der Höhenmessung?)

Answer 43

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.

Question 44

Herr Schlaumeier möchte sich auf dem Gipfel eines Berges sein Bergsteigermenü abkochen. Aus der Beschreibung entnimmt er eine Kochzeit von 15 Minuten. Als Herr S. nach 15 Minuten sein Essen probiert, ist er gar nicht so recht zufrieden. Warum wohl?

Answer 44

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.

Question 45

Wie macht man sich die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur beim **Schnellkochtopf zu Nutze, wo das Garen unter leicht erhöhtem Druck erfolgt?

Answer 45

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.

Question 46

Wenn im Frühjahr Obstbäume und Weinreben austreiben, tritt häufig noch Frost auf - vor allem nachts oder in den frühen Morgenstunden. Um die jungen Triebe vor dem Erfrieren zu bewahren, besprüht man sie mit Wasser. Blüten und Blätter werden dann von einer dünnen Eisschicht überzogen. Mit den ersten Sonnenstrahlen beginnt das Eis zu schmelzen, und die Blüten haben den Frost unbeschadet überstanden.
Erkläre, welches Phänomen bei obiger Vorgehensweise das Gefrieren der Blüte verhindert.

Erläutere, wie man bei der Bewässerungvorzugehen hat.

Answer 46

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.

Question 47

Wenn im Frühjahr Obstbäume und Weinreben austreiben, tritt häufig noch Frost auf - vor allem nachts oder in den frühen Morgenstunden. Um die jungen Triebe vor dem Erfrieren zu bewahren, besprüht man sie mit Wasser. Blüten und Blätter werden dann von einer dünnen Eisschicht überzogen. Mit den ersten Sonnenstrahlen beginnt das Eis zu schmelzen, und die Blüten haben den Frost unbeschadet überstanden.

Erläutere, wie man bei der Bewässerung vorzugehen hat.

Answer 47

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.

Question 48

Wenn im Frühjahr Obstbäume und Weinreben austreiben, tritt häufig noch Frost auf - vor allem nachts oder in den frühen Morgenstunden. Um die jungen Triebe vor dem Erfrieren zu bewahren, besprüht man sie mit Wasser. Blüten und Blätter werden dann von einer dünnen Eisschicht überzogen. Mit den ersten Sonnenstrahlen beginnt das Eis zu schmelzen, und die Blüten haben den Frost unbeschadet überstanden.

Erläutere, warum das Verfahren nicht bei lang anhaltendem Frost angewandt werden kann.

Answer 48

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

Question 49

Beschreibe was es mit den Glaskörpern im Galileo- Thermometer auf sich hat

Answer 49

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.

Question 50

Welche Kugel muss das Schild mit der höchsten Temperatur tragen? Die oberste oder die unterste? Begründe! (Galileo Thermometer)

Answer 50

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.

Question 51

Kann als Flüssigkeit im Glaskörper Wasser verwendet werden?(Galileo Thermometer)

Answer 51

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

Question 52

Kannst du das Prinzip eines Stirlingmotors erklären?

Answer 52

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.

Question 53

Abwärme eines Motors soll für die Heizung des Hauses genutzt werden. Basis ist ein mit Erdgas beheizter Stirlingmotor mit einem angekoppelten elektrischen Generator. Sollen die Vor- und Rücklaufleitungen von den Heizköpern isoliert werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen?

Answer 53

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

Question 54

Wozu dienen Kühltürme bei Wärmekraftmaschinen?

Answer 54

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

Wassernimmt 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 erhöhensich

Für den Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks ist dieser Effekt der Kondensation noch wichtiger als die Möglichkeit, das Kondensat als vorgewärmtes Speisewasser erneut zu verwenden.