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Transkript Wärmekraftmaschine

Hallo, ich bin euer Physik-Siggi. Heute werde ich euch das Prinzip der Wärmekraftmaschine verständlich machen. Danach werdet ihr zwei Arten genauer kennenlernen. Und schließlich werde ich euch heute das Prinzip des Kühlschranks erklären. Ihr benötigt dafür ein Verständnis vom idealen Gas, von der Temperatur und von der Wärme. Allerdings auch von der thermischen Energie, die auch als innere Energie bezeichnet wird. Diese Grundbegriffe könnt ihr alle im Film "Die Hauptsätze der Thermodynamik" kennenlernen. Kurz wiederholt ist die thermische Energie oder innere Energie die Energie, die ein Körper aufgrund der Bewegung seiner Teilchen hat. Je wärmer der Körper, desto größer seine innere Energie. Diese Energie kann er in mechanische Energie umwandeln. Zum Beispiel, wenn man den Kochtopf nur lange genug erhitzt und einen Deckel drauflegt, so wird der Deckel irgendwann klappern. Ihr kennt dies aus der Küche. Das Klappern ist eine mechanische Energie. Das heiße Wasser im Topf hat so eine große thermische Energie bekommen, dass es sie nutzen konnte, um den Deckel zu bewegen. Genauer gesagt verdampft das Wasser und damit steigt der Druck im Topf, weil sich Dampf, je heißer er wird, immer mehr ausbreiten will und weil die Dampfteilchen immer schneller werden. Irgendwann stoßen die Dampfteilchen so schnell gegen die Wände, dass es reicht, den Deckel anzuheben. Dadurch werden die Teilchen abgebremst. Dafür muss dem System aber von der heißen Herdplatte immer neue Energie zugeführt werden. Diese Energie heißt Wärme. Die Änderung der inneren Energie des Wassers ist nach dem 1. Hauptsatz der Wärmelehre dann gleich der zugeführten Wärme von der Herdplatte - der verrichteten Arbeit. Allerdings kann der Kochtopf nicht die ganze Wärme der Herdplatte nutzen, um den Deckel zum Beispiel viele Meter nach oben zu stemmen. Ein Teil der Wärme, die er bekommen hat, leitet er an die Umgebung weiter. Die Änderung der inneren Energie ist demnach = der zugeführten Wärme - der Arbeit - der abgeführten Wärme. Lassen wir im Gedankenexperiment den Topf nun wieder abkühlen, dann hat er seine innere Energie nicht geändert. Delta U=0 und alle zugeführte Wärme wurde in Arbeit und abgeführte Wärme umgewandelt. Dies ist das Prinzip der Wärmekraftmaschine. Man führt der Maschine Energie zu, hier in Form von Wärmeenergie. Die Wärmekraftmaschine wandelt diese Energie in nutzbare Energie um. In unserem Beispiel das Heben des Kochtopfdeckels. Jedoch wird ein Teil der zugeführten Energie auch als nicht nutzbare Energie an die Umgebung abgegeben. Hier erwärmt sich die Küche. Es gibt natürlich bessere Möglichkeiten Wärme zu nutzen, als nur einen Deckel anzuheben. Wir verbrennen Benzin und die Wärmeenergie wird einerseits dazu genutzt, um die Räder zu drehen, andererseits wird sie an die Umgebung abgegeben. Der Motor wird heiß und erwärmt die Luft. Es gibt zwei Arten von Wärmekraftmaschinen. Die, die Arbeit verrichtet, das ist genau die, die wir bereits beschrieben haben. Wärme wird zugeführt und in nutzbare Arbeit und Abwärme ungewandelt, wie zum Beispiel beim Verbrennungsmotor im Auto. Die zweite Art geht so: Arbeit und etwas Wärme wird zugeführt und dann von der Maschine so umgewandelt, dass noch viel mehr Wärme entsteht, welche dann an die Umgebung abgegeben werden kann. Dies ist zum Beispiel bei der Wärmepumpe, also der Heizung im Haus der Fall oder beim Kühlschrank. Betrachten wir das Beispiel des Kühlschranks genauer. Hier wird ausgenutzt, dass eine Flüssigkeit Energie braucht, um zu verdampfen. Das heißt, um die Bindungen der Flüssigkeitsteilchen aufzubrechen, um zu freiem, ungebundenem Gas zu werden. Im Kühlschrank ist ein Verdampfer mit Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit des Kühlschranks verdampft schon weit unter dem Gefrierpunkt. Das heißt, die relativ kleine Wärme der Lebensmittel reicht aus, um das Kühlmittel zum Verdampfen zu bringen. Dadurch hat zum Beispiel dieser Apfel Wärme abgegeben und ist nun kälter geworden. Die Wärme wurde also dem Kühlmittel zugeführt und steckt nun im Dampf. Diese Wärme muss nun irgendwie aus dem Kühlschrank herauskommen, damit er sich endgültig abkühlt. Hier wird nun die mechanische Arbeit ins System gesteckt. Ein Kompressor befördert das Gas aus dem Kühlschrank heraus und drückt es dort zusammen. Aufgrund des Drucks wird die Bewegung der Gasteilchen größer und die Temperatur steigt. Im sogenannten Verflüssiger kondensiert schließlich der Dampf aufgrund des sehr hohen Drucks und gibt Kondensationswärme ab. Das ist genau die Energie, die frei wird, wenn das Gas wieder feste Bindungen eingeht und flüssig wird. Die Kondensationswärme wird über die Kühlrippen an die Umgebung abgegeben. Falls ihr schon mal einen Kühlschrank von hinten gesehen habt, da hängt so ein Drahtgitter an den Rohren. Die Wärme der Lebensmittel wird letztendlich über dieses Gitter an die Umgebung abgegeben. Die flüssige Kühlflüssigkeit wird nun wieder über eine Kapillare ins Innere geleitet, wo der Kreislauf von vorne beginnt. Hier ist der Druck wieder gering und das Gas kann wieder verdampfen mithilfe der Wärme der Lebensmittel. Das Schema ist das Gleiche, wie am Anfang beschrieben. Die zugeführte Arbeit ist der Kompressor, der den Dampf verflüssigt. Die zugeführte Wärme ist die Wärme der Lebensmittel und die abgegebene Wärme ist die Kondensationswärme. Da die Kondensationswärme sofort an die Umgebung geleitet wird, gelingt es der Flüssigkeit nicht wieder zu verdampfen. Erst hinter dem Kapillarrohr ist der Druck wieder so gering, dass die kleine Wärme der Lebensmittel reicht, um die Kühlflüssigkeit zum Verdampfen zu bringen. Den Lebensmitteln wird also Wärme entzogen. So bleibt der Kühlschrank schön kalt. Ich hoffe ihr wisst nun immer genau, was in dem Ding passiert, wenn ihr für das Frühstück die Kühlschranktür öffnet. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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4 Kommentare
  1. Img 20141012 130353

    Dankeschööön!!

    Von Jessica G., vor mehr als einem Jahr
  2. 2012 01 10 18.06.08

    Sehr cool :-)

    Von Einfach Simon, vor mehr als 3 Jahren
  3. Default

    Sehr übersichtlich und klar formuliert.

    Von Eva Maria Zubek, vor mehr als 3 Jahren
  4. Default

    Vielen Dank, ein super - vielleicht bisher das beste - Video! Hat mir sehr geholfen :)

    Von Gumpi, vor fast 4 Jahren