Big Bang HTL 4, Schulbuch

Hauptsätze der Thermodynamik 7 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 83 V 7.1 Zucker auflösen In ein Glas wird etwa 3 cm hoch heißes Wasser eingefüllt, in eine anderes dieselbe Menge an kaltem Wasser . Beide Gläser werden auf den eingeschalteten Overheadprojektor gestellt. Nun wird gleichzeitig je ein Stück Würfelzucker in die beiden Gläser gegeben. Man kann beobachten, dass der Zuckerwürfel im warmen Wasser auf Grund der Brown’schen Bewegung (siehe Kap. 14.1, NAWI I) viel schneller aufgelöst wird. e V 7.2 Innere Energie ändern Die Luft in einem abgeschlossenen Zylinder wird mit einem Kolben , der durch eine Kraft F um eine Strecke s bewegt wird, komprimiert. Mit Hilfe eines Temperatursensors, der sich im Zylinder befindet, wird die Temperatur der Luft ge- messen (Abb. 7.2). Durch die Kompression steigt die Temperatur der Luft. Das Diagramm in Abb. 7.3 zeigt einen auf diese Weise gemesse- nen Verlauf. Durch das Verrichten von Arbeit wurde mecha- nische Energie in innere Energie umgewandelt. Die übertra- gene Energie entspricht der verrichteten Arbeit und beträgt E = F · s . Abb. 7.3: Temperaturverlauf der Luft im Zylinder Überlege, bevor du weiterliest, warum nach dem Heraus- ziehen des Kolbens die Temperatur deutlich unter den Anfangswert sinkt. Der Grund liegt darin, dass ein Teil der Energie der ungeord- neten Bewegung in der ersten Phase der Kompression in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. e Abb. 7.2 V 7.3 Wirkungsgradvergleich Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Energie bei einem Arbeitsprozess nutzlos verloren geht. Ein Wirkungsgrad von 50% bedeutet zum Beispiel, dass die Hälfte der eingesetz- ten Energie nicht für die eigentliche Tätigkeit genutzt wer- den kann (siehe Kap. 7.8, NAWI I). Die Wirkungsgrade von Mikrowellengeräten liegen beim Erwärmen von Wasser deutlich unter denen von Wasserkochern , die von der Arbeitsweise her einem Tauchsieder entsprechen (Abb. 7.4). Um den Wirkungsgrad zu bestimmen, benötigst du die von den Geräten aufgenommene elektrische Leistung . Am bes- ten ist es, den zum Gerät fließenden Strom direkt zu messen (Abb. 7.5) und die Leistung über P = I · U zu berechnen, weil die Leistungsangaben der Hersteller oft nicht genau sind. Häufig ist bei Mikrowellenherden außerdem nicht die elekt- rische Leistung, sondern die maximale Mikrowellenleistung angegeben (meisten 800 oder 900 W), die aber nicht der maximalen Gesamtleistung entspricht. Nehmen wir ein konkretes Beispiel: 500ml Wasser ( m = 500g) erwärmen sich in t = 100 s in der Mikrowelle um ∆ T = 25 °C, im Wasserkocher dagegen um ∆ T = 75 °C. Der Mikrowellenherd soll eine gemessene Leistung von 1260 W haben und der Wasserkocher 1850 W. Der Wirkungsgrad η berechnet sich dann gemäß η · P el · t = c · m · ∆ T , wobei c = 4,182 kJ/(kg · K) die spezifische Wärmekapazität von Was- ser ist (siehe Kap. 14.4, NAWI I). Mit unseren Beispielzahlen kommt man auf η = 41,5% für die Mikrowelle und η = 84,8% für den Kocher. Allgemein liegen Kocher bei der Effizienz etwa um einen Faktor 2 über Mikrowellenherden und soll- ten daher zum Erwärmen von Wasser bevorzugt eingesetzt werden. e Abb. 7.4 Abb. 7.5: Leistungsmessgeräte werden zwischen Steckdose und zu messendem Gerät gesteckt. Mit ihnen lassen sich Leistung und Energieumsatz direkt messen und außerdem die Stromkosten berechnen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv