Thermodynamik 12 2 Flashcards
Druck Formel
p=F/A
Kraft in N durch Fläche in m^2
Was passiert beim Stempeldruck wenn der Druck konstant bleibt sich aber die Fläche vergrößert?
Die benötigte Kraft vergrößert sich
F=p x A
Hydraulische Geräte Kraftwandler Aufbau
Zwei Stempel mit unterschiedlicher Fläche
Wie verändert sich der Druck bei größerer Fläche?
er wird geringer
Was passiert wenn man einen stumpfen und einen spitzen Stift durch ein Papier sticht
Bei dem spitzen Stift muss weniger Kraft aufgebracht werden für den gleichen Druck zu erzeugen
Druck Definition
Als Druck p definiert man den Quotienten aus der senkrecht auf eine Fläche wirkenden kraft F auf den Flächeninhalt A
Wie viel Pa sind 1000 hPa
1*10^5 Pa
Wie viel hPa sind 1 bar?
1000hPa
Was ist das pascalsche Prinzip?
Druck breitet sich in ruhenden Flüssigkeiten und Gasen allseitig aus und wirkt im Volumen in alle Richtungen aber immer senkrecht auf Wände
Wie kann man Druck in Fluiden verändern?
Je mehr Teilchen und je höher die Temperatur (stärkere Teilchenbewegung) desto größer ist der Druck
Beschreibe den Druck in Hinblick auf die Kräfte, die die Teilchen auf die Fläche der Gefäßwand ausüben
Die Zusammenstöße der Teilchen mit der Gefäßwand sind elastische Stöße und verursachen den Gasdruck
Was ist bei thermodynamischen Berechnungen wichtig bzgl. der Temperatur?
Immer Kelvin verwenden!
Beschreibe die Temperaturveränderung hinsichtlich der kinetischen Energie aller Teilchen des Systems in der Simulation
Die mittlere Geschwindigkeit und damit die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Systems ist ein
Maß für die Temperatur des Systems. Je höher die Temperatur des Gases, desto schneller bewegen sich die Teilchen im mittel
Volumen in thermodynamischen Systemen
In thermodynamischen Systemen sind Gasfüllungen enthalten
V=A x h in m^3
Welche vier Arten von thermodynamischen Systemen gibt es?
-Abgeschlossenes System (weder Materie noch Energieaustausch) Thermosflasche
-Offenes System (Energie und Materieaustausch) Ottomotor
-Geschlossenes System ((Energieaustausch aber keine Materie) Tasse mit heissen Kaffee
-Adibiatisches System (kein Wärmeaustausch mit Umgebung) sehr schnelles System
Wann befindet sich ein System im energetischen Gleichgewicht?
Wenn sich seine Zustandsgrößen Volumen, Druck und Temperatur zeitlich nicht ändern und räumlich verschieden sind
Wie kann man die Zusammenhänge der Zustandsgrößen in einem System untersuchen?
wenn eine Größe konstant gehalten wird und die anderen beiden verändert werden
Was ist die innere Energie eines Körpers?
Die Summe der kinetischen Energie aller Teilchen und der potentiellen Energie aller Teilchen eines Körpers
Zustandsänderung in einer Gasmenge bei konstanter Temperaturen
isotherm
bei einem Druck von 100kpa nimmt das Gas eine Menge von 100l an -> welcher Druck ist nötig um diese Gasmenge (temp. konstant) auf 10l zu verdichten?
p1V1=p2V2
p2=p1*V1/V2
isothermes System druck und volumen
umgekehrt proportional zueinander (fallende Kurve)
System mit konstanten Volumen name
Isochor
isochores System Druck und Temperatur
direkt proportional zueinander (Gerade)
Du öffnest eine Kühlschranktür lange bei Raumtemperatur von 20 grad nach einer Zeit hat das Gerät wieder eine Temperatur von 5 Grad
Wie viel Kraft bräuchtest du um die Tür zu öffnen wenn der Kühlschrank absolut dicht wäre? Maße der Tür sind 50x80 cm
p1/T1 = p2/T2
p=F/A F= Delta p*A
**p2= p1 x T2/T1
Fp=(p1-p2) x A**
(wenn einseitiger Hebel dann F=0.5*F!)
System mit konstanten Druck Name
isobar
Im Isobaren System Volumen und Temperatur
direkt Proportional -> Gerade
Zwei Geraden von verschiedenen Druck in Isobaren Systemen
schneiden sich bei 0 Kelvin -> nicht die Volumenverkleinerung sondern der Energieverlust
Ein Heissluftballon steigt auf, weil die heiße Luft in seinem Innern eine geringere Dichte besitzt als die kältere Luft, die den Ballon umgibt. Berechne das Volumen, auf das sich 1L Luft (Volumen bei 20 Grad) ausdehnt, wenn das Gas auf 40 Grad erwärmt wird (konstanter Druck)
V1/T1 = V2/T2
V2= V1*T2/T1
Formel Änderung innere Energie Isobaren System
delta U = Q - p * delta V
Bär hat ganz viel innere Energie -> lange Formel
Änderung innere Energie Isobaren System entspricht:
entspricht der zugeführten Wärme
Formel Änderung innere Energie Isochores System
delta U =Q
Änderung innere Energie adibiatisches System unterschied isotherm
die Kurve verläuft bei abnehmendem Volumen steiler
isothermes System innere Energie
es gibt keine Änderung der inneren Energie weil die Temperatur konstant ist
erster Hauptsatz der Thermodynamik
die Änderung der inneren Energie ist gleich der Summe von Arbeit und zugeführter Wärme
Arbeit Definition
Kraft mal Weg F*delta s
Was folgt aus den 1.Hauptsatz der Thermodynamik bzgl. Kreisprozessen?
Durch Zufuhr von Wärme kann man erreichen, dass ein thermodynamisches System seine innere Energien ändert oder mechanische Arbeit verrichtet
Was sind Wärmekraftmaschinen?
Maschinen, die bei Wärmezufuhr mechanische Arbeit verrichten
Beispiele Wärmekraftmaschinen
Dampfmaschinen
Dampfturbinen in Kraftwerken
Was muss passieren damit in Wärmekraftmaschinen kontinuierlich Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt wird?
Periodische Vorgänge müssen so ablaufen, dass
-immer wieder der Ausgangszustand hergestellt wird
-mechanische Arbeit muss abgegeben wird
-> das kann durch Kreisprozesse passieren
Definition Kreisprozesse
Abfolge von Zustandsänderungen bei der wieder der Ausgangszustand (gekennzeichnet durch die Zustandsgrößen V,p und T) erreicht wird
Was gilt nach einem vollständigen Kreisprozess?
die Änderung von T,V,p und U sind null
Wo laufen Kreisprozesse ab?
in allen Wärmekraftmaschinen
was ist der carnotische Kreisprozess?
Ein idealer Kreisprozess der unter allen möglichen dieser Prozesse den größten Wirkungsgrad hat
setzt sich aus vier Zustandsänderungen zusammen
Carnotischer Kreisprozess 1. Zustandsänderung
Isotherme Expansion
Ein Zylinder mit beweglichem Kolben wird mit einer Wärmequelle verbunden. Q1 wird auf das Gas übertragen. Es dehnt sich bei der Temperatur 1 aus und verrichtet die Arbeit W1
Carnotischer Kreisprozess 2. Zustandsänderung
Adibiatische Expansion
Das Gas im Zylinder dehnt sich adibitisch aus.
Seine Temperatur verringert sich auf T2, es wird die Arbeit W2 verrichtet
Carnotischer Kreisprozess 3. Zustandsänderung
Isotherme Kompression
Am Gas wird die Arbeit W3 verrichtet.
Bei der Temperatur T2 wird die entstehende Wärme Q3 an die Umgebung abgegeben
Carnotischer Kreisprozess 4. Zustandsänderung
Adibiatische Kompression
Am Gas wird die Arbeit W4 verrichtet. Die Temperatur erhöht sich auf den Anfangswert T1 -> Damit ist der Ausgangszustand wieder erreicht
Kreisprozess p-V-Diagramm Fläche unter ABC
entspricht der bei der Expansion verrichteten Arbeit
Kreisprozess p-V-Diagramm Fläche unter CDA
entspricht der bei Kompression zugeführten Arbeit
Kreisprozess p-V-Diagramm Differenz beider Flächen
die nach außen abgegebene Arbeit W
Wie viel der zugeführten Wärme im Kreisprozess wird in Arbeit umgewandelt?
nur ein Teil
Was ist ein thermodynamisches System?
Ein thermodynamisches System befindet sich in einem bestimmten Zustand z.B. heiß,kalt,hoher, niedriger Druck, was durch sog. Zustandsgrößen wie Temperatur T, Druck p und Volumen V beschrieben wird
Wie heißt die sog. Zustandsgleichung für ideale Gase?
Gasgesetze:
Gay Lussac (p konstant) gay mag penis
Amontos (V konstant) A bissi wie V
Boyle (T konstant) boiling tea
lassen sich mathematisch zu einer Formel der sog. Zustandsgleichung für ideale Gase vereinigen
p x V=m x Ri x T
Ri ist die spezifische Gaskonstante welche vom Gas abhängig ist
Welche Zustandsänderungen kennst du? (Diagramm)
- Isobare Zustandsänderung -> Gerade DER DRUCK STEIGT
-Isochore Zustandsänderung -> flachere gerade Chor sind viele, Stimmen gehen unter -> flach
-isotherme Zustandsänderung -> fallende Kurve wenn ich friere verliere ich was
Was ist der unterschied zwischen einer Wärmekraftmaschine und einer Wärmepumpe/Kältemaschine?
Bei einer Wärmekraftmaschine wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt (rechtsläufiger Kreisprozess). Bei einer Wärmepumpe wird mechanische Arbeit in Wärmeenergie umgewandelt (linksläufiger Kreisprozess)
Wenn ich pumpe verrichte ich arbeit und mir wird warm
Notiere die allgemeine Gasgleichung und nenne für jede enthaltene physikalische Größe den Fachbegriff und die typischen Einheiten
pV = mRi*T
p:Druck in Pa =N/m2
V:Volumen in m3=1 x 10^3 l
m: Masse in kg
T: Temperatur in K
Ri:spezifische Gaskonstante in J/(kg x K)
p Einheit
Druck in Pa=N/m2
V Einheit
Volumen in m3=1*10^3 Liter
m Einheit Gasgleichung
kg
T Einheit gasgleichung
Kelvin
Ri Einheit
J/(kg*K)
1->2 isotherme Expansion
- Vergrößerung des Volumen mit Wärmezufuhr
-es wird Arbeit verrichtet, dabei verringert sich der Druck bei konstanter Temperatur
2->3 adibiatische Expansion
-Wärmezufuhr gestoppt, das Gas dehnt sich weiterhin aus und kühlt sich dabei auf Temperatur Tmin ab
-Im Zustand 3 geringster Druck und größtes Volumen
-Arbeit wird dabei verrichtet ->innere Energie des Gases wird verringert (Umkehrpunkt Kolben)
3->4 isotherme Kompression
konstante Temperatur -> Volumen wird verringert
Druck erhöht sich -> Arbeit wird aufgewendet
Dabei entstehende Wärme wird an einen kalten äußeren Wärmespeicher (Umgebung) abgeführt
4->1 adbiatische Kompression
Im Punkt vier ist die Wärme abgegeben, gas wird aber weiter komprimiert bis das Ausgangsvolumen erreicht wird
dabei steigt druck und Temperatur
Arbeit wird aufgewendet, innere Energie des Gases erhöht sich
Kolben wendet sich
Was passiert bei einer adibiatischen Zustandsänderung?
eine Änderung der inneren Energie des Gases, die zu einer Erniedrigung/Erhöhung der Temperatur führt
Wärmestrahlung (im Gewächshaus)
Es wird Energie durch elektromagnetischen Wellen übertragen
(Sonnenenergie geht durch das Glas und erwärmt die Luft)
Wärmeströmung (im Gewächshaus)
Es wird Energie mit einem Stoff transportiert
(Warme Luft wird durch Zirkulation auf die Erde und die Pflanzen übertragen)
Wärmeleitung (im Gewächshaus)
Es wird Energie durch einen Stoff hindurch übertragen
Oberfläche der Erde nimmt die Wärme aus der Luft auf und transportiert sie weiter in tiefere Erdschichten
Warum hat der Zylinder eines Motorrades Kühlrippen und welcher Wärmetransport findet statt
Die große Oberfläche der Kühlrippen verbessert den Abtransport von Energie durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung an die umgebene Luft
Der Abtransport der erwärmten Luft erfolgt durch Wärmemitführung
Was ist der Unterschied zwischen Wärmeübergang und Wärmedurchgang
Wärmeübergang: Wärme von Gas/Flüssigkeit geht auf etwas festes über(Wand) oder umgekehrt
Wärmedurchgang: Wärme geht von einem Gas/Flüssigkeit durch eine feste Wand und wieder auf Gas/Flüssigkeit
Isoliertasse vs normale Graph
Isoliertassen Graph: flacherer Abfall. gleiche Endtemperatur
Der Druck erhöht sich in einem Autoreifen bei einer sonnigen Strecke, welches thermodynamische System liegt vor und welche Zustandsänderung?
Geschlossenes System
Isochor: Volumen bleibt gleich Gesetz von Amontos= p/T=konstant
Zeige auf wie sich eine Drückänderung berechnen lassen würde
p1/T1=p2/T2
p2=p1*T1/T2
20g eines Gases nehmen 47 Grad ein Volumen von 8,2*10^-3 m^3 Liter ein. Der Druck liegt bei 202kPa
Wie kann das Gas bestimmt werden?
pV = m Rs*T
umstellen nach Rs
Rs=p x V/m x T
Konstante aus Tabelle herauslesen
Was passiert bei diesem Versuch?
Die Wachskügelchen schmelzen wenn die Temperatur des Stabes eine gewisse Temperatur erreicht
Da Kupfer die Wärme besser leitet als Messing, fallen die Wachskügelchen am Kupferstab zuerst ab
Welche Wärmetransporte finden bei der Isolierung von Eisbärenfell statt? (flauschig, schwarze Haut)
Pelz wirkt als Wärmeisolator vor allem durch die schlecht Wärmeleitenden “Luftpolster” zwischen den Haaren
Luftpolster werden durch den Körper erwärmt und ist durch die Haare geschützt, durch Konvektion/Wind vom Körper weggetragen zu werden
Weshalb haben Eisbären schwarze Haut?
Die schwarze Haut kann die Wärmestrahlung gut aufnehmen/absorbieren die durch die Sonne und die Reflexion an den weißen Haaren auf die Haut treffen
Dunkle Materialien absorbieren die Wärmestrahlung stärker als Helle
Ein Mauerwerk soll aus einer Betonschicht und einer Dämmplatte aufgebaut werden
Wie funktioniert die Wärmeleitung hier anhand des Teilchenmodells?
Bei der Wärmeleitung wird die Zitterbewegung der Teilchen ohne Stofftransport durch ein Material (Beton und Dämpfplatte) hindurch weitergegeben, d.h. die Schwingungen der Teilchen werden an die benachbarten Teilchen übertragen, wobei diese dabei auf ihrem Platz bleiben.
Bei der Wärmeleitung bewegt sich also nur die Wärme durch den Körper
Was ist die Bedeutung des Kennwerts für die Wärmedämmung? Gehen Sie dabei auf die unterschiedlichen Wärmeübertragungen ein.
Wärmedämmwert = Maß für den Wärmedurchgang von einem Fluid, durch einen festen Körper in ein zweites Fluid aufgrund Temperaturunterschied zwischen den Fluten
Wärmeübertragung besteht hier aus zwei Wärmeübertragungen (zwischen Fluid und Festkörper) und zwei Wärmeleitungen in den zwei verschiedenen Festkörpermaterialien
Wärmeübertragungen zwischen Fluid und Festkörper hängt von Medium, seiner Bewegung und der Oberfläche des festen Körpers ab
Wie berechnet man die Abkühlungskonstante?
Zeitpunkt bei gegebener Motorwärme
Diagramm newtonisches Abkühlungsgesetz
Woran merkt man dass es sich bei diesem Kreisprozess um eine Wärmemaschine handelt?
Da der Kreisprozess rechtsläufig ist (im Uhrzeigersinn)
Und W die Fläche ist die in der kurve eingeschlossen wird
Geben sie bei folgenden Teilschritten jeweils an welches Vorzeichen die Größen Arbeit W, Wärme Q und Änderung der inneren Energie delta U besitzen (rechtsläufiger Kreisprozess)
Vervollständige diese Tabelle mit Berechnungen (rechtsläufig)
Rechtsläufiger Kreisprozess verrichtete Arbeit Rechnung
Qzu-Qab = W <0
System verrichtet Arbeit
Linksläufiger Kreisprozess verrichtete Arbeit Rechnung
Qzu-Qab = W > 0
Arbeit wird am System verrichtet
Rechtsläufiger Kreisprozess Bild
Linksläufiger Kreisprozess
Welcher davon ist der Kühlschrank unten?
Links weil Außenraum Gleich ist
Welcher ist der 4 Takt ottomotor Kreisprozess?
Ganz rechts! Davor Stirling der davor carnot
Was passiert in Kreisprozessen wenn sich das Volumen vergrößert/verringert?
Arbeit wird vom System verrichtet wenn es sich vergrößert
Wenn es sich verkleinert wird am System Arbeit verrichtet
Arbeit eines Kreisprozesses berechnen
Wab=W(1->2) +W(3->4)=(-poben + punten)*(V2-V1)
Isotherme Expansion im Zylinder
adibiatische Expansion im Zylinder
isotherm Kompression im Zylinder
Adibiatische Kompression im zylinder
Was sind Vor und Nachteile des stirlingschen Kreisprozesses?
Vorteile: einfacher Aufbau, hoher Wirkungsgrad
Nachteile: geringe Leistung
Wo werden stirlingsche Kreisprozesse verwendet?
In speziellen Bereichen z.B. in Kombination mit Solaranlagen
Was ist der Wirkungsgrad einer Wärmemaschine? Formel?
Wie viel der zugeführten Arbeit als mechanische Arbeit genutzt werden kann
n=W/Q
Wovon ist der thermische Wirkungsgrad abhängig
Von den Temperaturen 1 und 2
thermische Wirkungsgrad Formel
n=1-T1/T2
oder
n=1-Qab/Qzu
Wann ist der Wirkungsgrad besonders hoch?
T1 sehr hoch, T2 sehr niedrig
Wärmekraftmaschine allgemeine Funktion
soll mechanische Arbeit verrichten, nimmt bei hoher Temperatur Wärme auf, verrichtet mechanische Arbeit und gibt bei tiefer Temperatur Wärme ab
Wärmepumpen allgemeine Funktion
Umgekehrte Wärmekraftmaschine -> nehmen bei tiefer Temperatur Wärme auf, mechanische Arbeit fließt ihnen zu und geben bei hoher Temperatur Wärme ab
Energiefluss bei Wärmekraftmaschine, die Arbeit verrichten soll
Energiefluss bei Wärmepumpe bei der Arbeit zugeführt wird
Wie kann Wärmetransport stattfinden?
Die Übertragung von Energie in Form von Wärme kann durch Wärmeleitung, Konvektion (Wärmeströmung) oder Wärmestrahlung erfolgen. Meistens treten zwei oder drei Arten der Wärmeübertragung gleichzeitig auf
Wie wird bei der Wärmeleitung Wärme übertragen?
Durch die Zitterbewegung der Teilchen ohne Materieaustausch wird Energie auf die benachbarten Teilchen übertragen, wobei diese auf ihren Platz bleiben.
Es bewegt sich also nur Wärme durch den Körper
Wo triff Wärmeleitung auf?
Meistens in und zwischen Festkörpern
Welche Materialien eignen sich gut oder schlecht zu Wärmeleitung?
Gut: Metalle
Schlechte: Flüssigkeiten und Gase
Wie strömt die Wärme bei Wärmeleitung?
Von hoher zu niedriger Temperatur
Wozu ist die strömende Wärme proportional bei der Wärmeleitung?
zu der Temperaturdifferenz, Fläche A der Wand, sowie zu der Zeit t
umgekehrt proportional zu der Wanddicke d -
Wärme bei Wärmeleitung Formel
Was ist die Wärmeleitfähigkeit?
gibt die Wärmemenge an, die durch eine Wand mit der Dicke 1m und der Fläche 1m^2 bei einem Temperaturen 1K zwischen den gegenüber liegenden in 1sek von der wärmeren zur kälteren Seite fließt
Wie wird Wärme per Konvektion transportiert?
Durch die Bewegung von Materie in Fluiden transportiert. Wärme wandert mit Materie
