Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

85.1 Energieübertragung durch Wärmelei- tung. Oben: Die schnellen Teilchen des heißen Körpers übertragen durch Stöße Energie auf die langsamen Teilchen des kälteren Körpers. Unten: Der Vorgang endet, wenn die Tempera- tur in beiden Körpern gleich ist. A T 1 T T T 1 2 > > T 2  Q  t d 85.2 Wärmeleitung durch eine homogene Platte Stoff Wärmeleitfähigkeit λ in W · m −1 · K −1 Silber 430 Beton 2,1 Vollziegel 0,7 Glas 0,7 Wasser 0,6 Styropor 0,05 Kork 0,04 Wolle 0,04 Luft 0,03 85.3 Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe Nacht Tag 85.4 Bei Tag: Das Land erwärmt sich schneller als die Meeresoberfläche, die Luft steigt auf, der Wind kommt vom Meer. In der Nacht kühlt das Land aus und der Wind bläst zum Meer. a Wärmeleitung Wenn zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt kom- men, treffen an der Grenzfläche die schnellen, energiereichen Teilchen des heißen Körpers auf die langsamen des kälteren Körpers, elastische Stöße sind die Folge ( 85.1 ). Energie wird auf die energieärmeren Teilchen übertragen. Zunächst ge- schieht dies nur an der Grenzfläche, doch wird durch weitere Stöße allmählich auch das Innere des Körpers erfasst, bis die Temperatur schließlich überall gleich ist. Die beiden Körper sind nun im thermischen Gleichgewicht . Wie gut Stoffe Wärme leiten, hängt von den Bindungen ihrer Teilchen ab. Metalle mit den frei beweglichen Elektronen leiten Wärme besonders gut. Silber leitet am besten. Wolle, Stroh, Papier, Kork, Schnee, Styropor, … leiten Wärme schlecht. Die- se Stoffe enthalten in ihrer porösen Struktur den schlechten Wärmeleiter Luft. In Flüssigkeiten und Gasen spielt Wärmeleitung eine geringe Rolle. Wärmeleitung in einem homogenen Festkörper folgt einem einfachen Gesetz. Betrachten wir eine Platte ( 85.2 ) der Dicke d , der Fläche A und einem Tempera- turunterschied Δ T zwischen den beiden Seiten. Fließt durch die Platte in der Zeit Δ t die Wärme Δ Q , dann ist der Wärmestrom Δ Q / Δ t . Er wird in J/s = W gemessen. Der Wärmestrom durch eine Platte ist zum Temperaturgefälle Δ T / d zwischen den beiden Seiten der Platte und zur Fläche A proportional. Wärmetransport durch Wärmeleitung Δ Q _ Δ t = λ · A · Δ T _ d Die Wärmeleitfähigkeit λ ist materialabhängig ( Tab. 85.3 ). Dieses Gesetz der Wärmeleitung spielt bei der Planung von Energie sparenden Häusern eine große Rolle. b Wärmeströmung Flüssigkeiten und Gase transportieren Wärme hauptsächlich durch Strömung (Konvektion) . Über heißen Körpern, einer Herdplatte oder einem Heizkörper der Zentralheizung, kann man beobachten, dass warme Luft nach oben strömt. Wenn in einer Flüssigkeit oder einem Gas ein Teilvolumen erwärmt wird, dann dehnt es sich aus und die Dichte nimmt relativ zur kühleren Umgebung ab. Durch Auftrieb bewegt sich das erwärmte Material nach oben. Ein Teil des kälteren Stoffs aus der Umgebung fließt nach unten und nimmt den Raum des aufsteigenden Stoffs ein, es entsteht eine Zirkulation. Der strömende Stoff transportiert Energie zwi- schen verschiedenen Orten und überträgt sie (meist durch Wärmeleitung) auf an- dere Körper. Diese durch Temperaturunterschiede verursachte Wärmeströmung spielt bei vielen natürlichen Prozessen eine Rolle. Wichtig ist die Auswirkung auf das Wetter (Winde), die Energieumwälzungen in den Ozeanen (z. B. Golfstrom) und die globalen Klimazonen. 85.4 zeigt, wie an Küsten im Tagesverlauf zum Land gerichtete Winde entstehen. Bei Sonnenschein erwärmt sich das Land schneller als die Wasseroberfläche. Über dem Land steigt Luft auf, kühlere Luft strömt am Boden vom Meer zum Land. In der Nacht kühlt das Land schneller ab als die Wasseroberfläche, die Zirkulation erfolgt nun vom Land zum Meer. Neben der freien Strömung , die durch Temperaturunterschiede und die damit ver- bundenen Dichteunterschiede hervorgerufen wird, spielt die erzwungene Konvek- tion in der Technik eine große Rolle: Umwälzpumpen unterstützen die Wasser- zirkulation in Warmwasserheizungen. Unser Blutkreislauf funktioniert ebenfalls durch erzwungene Konvektion: Das Herz pumpt Blut durch die Blutgefäße, wodurch Sauerstoff und Nährstoffe zu den Zellen transportiert werden und Kohlenstoffdioxid sowie Stoffwechselprodukte abtransportiert werden. Zusätzlich sorgt der Blutkreislauf für eine konstante Kerntemperatur des Körpers, indem die Durchblutung der Extremitäten je nach der Außentemperatur geregelt wird. 85 | WÄRMELEHRE Nu zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv