Antwort auf die Eingangsfrage Was haben Heißluftballone mit Thermodynamik zu tun? Wie kann ein Heißluftballon aufsteigen und sich durch die Luft bewegen? Heißluftballone haben (normalerweise) eine etwa kugelförmige Ballonhülle, an der ein Korb für Gasbrenner, Gasbehälter und Insassen hängt (102.1). Die Hülle fasst ein Volumen zwischen 3 000 und 5 000 m3. Während der Fahrt sorgt der Gasbrenner für Heißluft. Die Luft im Ballon hat etwa 90 °C. Nehmen wir ein Volumen von 4000m3 an und überlegen uns, welche Last der Ballon tragen kann. Das Prinzip des Archimedes für den Auftrieb in Flüssigkeiten gilt auch in Gasen: Die Auftriebskraft entspricht dem Gewicht der verdrängten Luftmenge. Wenn das Gewicht des Ballons mit Nutzlast kleiner als der Auftrieb ist, kann der Ballon aufsteigen. Zunächst berechnen wir, wie viel Luft der gefüllte Ballon bei einer angenommenen Lufttemperatur von 20 °C verdrängt. Die Dichte der Luft beträgt 1,2 kg/m3 bei einer Temperatur von 20°C. Das Volumen von 4000m3 entspricht einer Luftmenge von 4 800 kg. Die Masse des Ballons mit Heißluft und Nutzlast muss daher kleiner als 4 800 kg sein. Wie groß ist die Luftdichte bei 90 °C und bei normalem Luftdruck von 1 013 mbar? Aus Tab. 96.1 lesen wir ab, dass sich Luft bei Erwärmung um ΔT mit dem Faktor (1 + 0,00367·ΔT ) ausdehnt, bei Erwärmung von 20 °C auf 90 °C um (1 + 0,00367·70) = 1,257. Die Dichte der Heißluft im Ballon nimmt daher von 1,2 kg/m3 auf 1,2/1,257 kg/m3 = 0,955 kg/m3 ab. Die Heißluft im Ballon hat daher eine Masse von 4 000 m3·0,955 kg/m3 ≈ 3 820 kg. In unserem Beispiel kann der Ballon daher eine Last von ca. 980 kg (4 800 − 3 820 = 980) tra102.1 Heißluftballone müssen nicht immer „ballonförmig“ sein! gen. Diese setzt sich zusammen aus Ballonhülle, Ausrüstung und Insassen. Ein großer Nachteil aller Ballone ist die geringe Steuermöglichkeit, sie sind vom Wind abhängig. Erfahrene Ballonfahrerinnen und Ballonfahrer nutzen aus, dass Luftströmungen in verschiedenen Höhen unterschiedliche Richtung haben können. Der Heißluftballon wurde von den Brüdern Montgolfier in Frankreich erfunden. Im September 1783 beeindruckten sie den französischen König Ludwig XVI mit einem Ballonflug mit Tieren. Die erste bemannte Ballonfahrt fand am 21. November 1783 statt und dauerte 25 Minuten. Am 1. Dezember 1783 gelang dem französischen Physiker Jacques Charles die erste Ballonfahrt mit einem mit Wasserstoff gefüllten Ballon, bei der er eine Höhe von über 3 000 m erreichte. 1 W3 Erkläre, wie die atomare Masseneinheit definiert ist. Beschreibe die Vorteile, wenn man Stoffmengen einheitlicher chemischer Stoffe (Atome, Moleküle) in der Einheit Mol angibt. 2 W2 Informiere dich über Kräfte und Bindungsarten, durch die Moleküle aus Atomen aufgebaut werden, und fasse dein Wissen kurz zusammen. 3 S3 Durch den Klimawandel verändert sich die Temperatur auf der Erde. Beschreibe qualitativ und quantitativ, wie sich die Volumenzunahme von Wasser bei Erwärmung der obersten 500m der Ozeane um 1 oC auswirkt. 4 S1 Bei der thermischen Sanierung von Gebäuden stellt sich die Frage, bei welchen Gebäudeteilen eine verbesserte Wärmedämmung den größten Nutzen bringt. Recherchiere zu diesem Thema und erstelle eine Liste der drei wichtigsten Verbesserungen (mit Begründungen). 5 S1 Raum- und Gebäudeheizung erfordern in Österreich ungefähr ein Viertel des gesamten Energiebedarfs. Diskutiere mit deinen Klassenkolleginnen und Klassenkollegen, wie sich für Privathaushalte die Heizkosten reduzieren lassen, und stelle Maßnahmen und deren mögliche Auswirkungen in einer Mindmap dar. 6 W4 Beschreibe den Begriff „angenehmes Raumklima“ in eigenen Worten. Überlege, welche Faktoren das Raumklima beeinträchtigen können. Stelle deine Überlegungen auch als Mindmap dar. 7 S3 Finde heraus, was der Begriff „Heiztag“ bedeutet und an wie vielen Tagen an deinem Wohnort im Mittel mehrerer Jahre geheizt wird. Weiterführende Fragestellungen 102 Thermodynamik Praxis und Vertiefung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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