Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

86.1 Mit einer Wärmebildkamera kann die Tem- peraturverteilung an einer Hausfassade – und somit thermische Schwachstellen – sichtbar gemacht werden. 86.2 Satellitenbild des Taifuns „Haitang“ (16. 7. 2005, Westpazifik / Taiwan) c Wärmestrahlung Die dritte Art, wie sich Wärme ausbreiten kann, ist die Wärmestrahlung . Sie ist elektromagnetische Strahlung (wie das Licht) und breitet sich mit Lichtgeschwin- digkeit aus. Die Intensität der abgestrahlten Wärmestrahlung hängt von der Tem- peratur und der Beschaffenheit der Körperoberflächen ab. Wärmestrahlung trans- portiert Energie auch durch das Vakuum. Alle Körper senden Wärmestrahlung aus, heiße Körper mehr als kalte Körper – die Strahlungsleistung ist proportional zu T 4 . (Mehr dazu in Physik 7). Experiment: Wahrnehmung von Wärmestrahlung 86.1 E 1 Du brauchst: deine Hände, eventuell ein Infrarotthermometer Halte die offenen Hände in etwa 1 cm Abstand vor deine Wangen. Was merkst du? Wenn ein Infrarotthermometer zur Verfügung steht, miss außer- dem die Temperatur von Wange und Handfläche. Beschreibe deine Beobachtung. Das Zusammenwirken von Wärmeströmung und Wärmestrahlung lässt in der Atmosphäre Hoch- und Tiefdruckgebiete entstehen. Die Sonne heizt die Erde mit einer Strahlungsleistung von 1,4 kW/m² (gemessen am oberen Rand der Erdatmo- sphäre senkrecht zur Strahlrichtung). Dadurch wird die Erdoberfläche und die darüber befindliche Luft erwärmt. Die warme Luft steigt auf. Der Druck der Luft nimmt ab, es entsteht ein Tiefdruckgebiet. In das Tief strömen am Boden von allen Seiten Luftmassen ein – es entsteht Wind . Ein Hochdruckgebiet bildet sich, indem sich die Luft über einer kälteren Stelle der Erdoberfläche abkühlt. Die Luft zieht sich zusammen, der Druck erhöht sich. Im Hochdruckgebiet lösen sich Wolken auf, weil sich die absinkende Luft erwärmt und die Wassertröpfchen in den Wolken verdampfen. Daher bringen Hochdruck- gebiete Schönwetter. Bei alten Wohnbauten geht im Winter viel Energie durch Wände, Fenster und oberste Geschoßdecke verloren. Wir berechnen für die Außenwand, wie sich eine zusätzliche Wärmedämmung auswirkt. Die Wand sei eine Vollziegelwand von 30 cm Stärke mit λ = 0,6 W · m −1 · K −1 . Es sollen 10 cm dicke Styroporplatten ( λ = 0,05 W · m –1 · K –1 ) auf der Außenseite angebracht werden. Auf Innen- und Außenseite der Wand soll ein Putz ( λ = 0,75 W · m –1 · K –1 ) 1,5 cm dick aufgetragen werden. Die Wand besteht daher aus mehreren Schichten, durch die der Wär- mestrom fließt ( 86.3 ). Der Temperaturabfall an einer einzelnen Schicht ist (1) Δ T = d _ λ A Δ Q _ Δ t . Wir addieren die Temperaturänderungen Δ T an den einzelnen Schichten. Daraus können wir den notwendigen Wärmestrom berechnen, mit dem wir die ge- wünschte Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen erreichen. Die Beiträge d/ λ der einzelnen Schichten sind: Putz insgesamt 3 cm: 0,03/0,75 m 2 · K · W −1 = 0,04 m 2 · K · W −1 Vollziegelwand: 0,3/0,6 m 2 · K · W −1 = 0,5 m 2 · K · W −1 Styroporplatte: 0,1/0,05 m 2 · K · W −1 = 2,0 m 2 · K · W −1 . (2) Δ T = 0,54m 2 ·K·W −1 · 1 _ A · ∆ Q _ ∆ t (ohne Isolation), bzw. Δ T = 2,54m 2 ·K·W −1 · 1 _ A · ∆ Q _ ∆ t (mit Isolation). Bei Δ T = 30 °C zwischen Innen (20 °C) und Außen ( ‒ 10 °C) fließt durch A = 1m 2 Wandfläche der Wärmestrom Δ Q / Δ t = 30/0,54 W = 56 W (ohne Isolation), bzw. Δ Q / Δ t = 30/2,54 W = 12 W (mit Iso- lation). Die Isolation mit 10 cm Styropor verringert den Wärmestrom durch die Außenwand und damit den Heizbedarf auf unter 25% des ursprünglichen Werts. Untersuche, überlege, forsche: Wärmeverlust durch Fenster 86.1 E 2 Viel Energie geht zum Fenster hinaus. Wie ist Abhilfe möglich? Innen Aussen Ziegel Styropor Putz Putz T x 86.3 Wärmedurchgang durch eine Wand mit vier Schichten. Die Wärmedämmung aus 10 cm Styropor hilft mehr als 75% des ohne Dämmung benötigten Heizbedarfs einzu- sparen. 86.4 Dämmung einer Wand mit Mineralwolle Energiesparen durch Wärmedämmung 86 WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv