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Kältemaschine und Wärmepumpe 10:17 min

Textversion des Videos

Transkript Kältemaschine und Wärmepumpe

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um "Kältemaschine und Wärmepumpe". Du kennst bereits die Wirkungsweise von Wärmekraftmaschinen. Nachher verstehst Du das Funktionsprinzip von Kältemaschine und Wärmepumpe und Du kannst erklären, was die Leistungszahl ist. Der Film besteht aus sechs Abschnitten: 1. Warm und kalt. 2. Das Prinzip der Wärmepumpe. 3. Beheizung eines Hauses. 4. Das Prinzip der Kältemaschine. 5. Der Kühlschrank und 6. Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe und Kältemaschine im Vergleich. 1. Warm und kalt: Wir alle wohnen gemeinsam auf einer wunderschönen Erde. Auf ihr gibt es Gegenden mit großer Hitze. Andererseits gibt es Gebiete von großer Kälte. Der Mensch möchte sein Leben angenehm gestalten. Wo große Hitze ist, möchte er Kälte hinbringen. Und entsprechend bei großer Kälte soll Wärme sein. Dafür hat er technische Geräte entwickelt. Die Kältemaschine und die Wärmepumpe. Beide zeigen einen wichtigen Unterschied zur Wärmekraftmaschine. So seltsam es klingt: In beiden findet eine Umwandlung von Arbeit in Wärme statt. 2. Das Prinzip der Wärmepumpe: Wie die Wärmekraftmaschine steht die Wärmepumpe zwischen zwei Wärmereservoirs. Einem heißen mit der Temperatur T1 und einem kalten mit der Temperatur T2. Als heiß oder besser warm nehmen wir sinnvoller Weise ein zu beheizendes Haus an und kalt ist entsprechend die Umwelt. Vom kalten Reservoir wird die Wärme Q2 in die Pumpe eingespeist. Eine größere Wärmemenge Q1 verlässt die Pumpe und gelangt in das Haus. Die Differenz wird durch einen Kompressor kompensiert, der die Arbeit W leistet. Für die Wärmepumpe kann man den thermischen Wirkungsgrad bestimmen. Er ergibt sich zu η = W/Q1, wobei wir W und Q1 jeweils als positiv annehmen. Ein noch wichtigerer Kennwert für die Wärmepumpe ist ε = Q1/W. Man nennt ihn die Leistungszahl. Sie gibt Auskunft über die Leistung des Motors bezüglich der Erzeugung von Wärme. Man sieht, dass ε der Kehrwert von η ist. Man kann ε auch aus den Temperaturen T1 und T2 der beiden Wärmereservoirs darstellen. Für viele Dampfpumpen ist die theoretische Leistungszahl in etwa 10. Real werden aber meist Werte von nur 2,5 bis 4 erreicht. 3. Beheizung eines Hauses: Das ist unser Haus mit Wärmepumpe. Die Kühlflüssigkeit bewegt sich entgegen des Uhrzeigersinns. Im roten Teil haben wir den Verflüssiger. Das ist die warme Seite mit hohem Druck. Es wird die Wärme Q1 an das Haus übertragen. Der Kompressor leistet Arbeit W am System. Er sorgt für die Verflüssigung des Kühlmittels und setzt es laufend in Bewegung. An dieser Stelle haben wir ein Drosselventil. Das Kühlmittel wird entspannt. Der Druck fällt und damit die Temperatur. Das Kühlmittel ist im blau gekennzeichneten Verdampfer angelangt. Das ist die kalte Seite des Systems mit niedrigem Druck. Das Kühlmittel nimmt die Wärme Q2 von außen auf. Schauen wir uns noch die Energiebilanz an. Q1 = Q2+W. Und wer auf die Vorzeichen achtet: |Q1| = Q2+W. 4. Das Prinzip der Kältemaschine: Durch eine Kältemaschine fließt ein Kühlmittel. Sie hat ein heißes Reservoir, das ist die Umwelt. Und auf der anderen Seite ein kaltes Reservoir, das ist das Innere des Kühlschranks. An der Kältemaschine wird Arbeit verrichtet. Dem kalten Reservoir wird Wärme entzogen. Und eine noch größere Wärmemenge gelangt in das heiße Reservoir. Interessant ist der thermische Wirkungsgrad η. Er definiert sich als η = W/Q2. Für die Kältemaschine ist noch aussagefähiger die sogenannte Leistungszahl ε. Sie wird definiert als ε = Q2/W. Es ist klar, dass ε der Kehrwert von η ist. Man kann auch ε folgendermaßen aufschreiben: ε = T2/(T1 - T2). Als Eselsbrücke: ε = Abkühlung / elektrische Energie, die meistens über W dem System zugeführt wird. 5. Der Kühlschrank: So ungefähr sieht er aus. Von hinten und im Querschnitt. Der graue Bereich ist der Kühlraum. Die Rohre werden durch eine Kühlflüssigkeit durchflossen. Der gesamte rote Bereich ist der sogenannte Verflüssiger. Es ist die warme Seite. Hier herrscht relativ hoher Druck. Die warme Seite befindet sich außerhalb des Kühlraums. Es wird die Wärme Q1 nach außen abgegeben. Die Kühlflüssigkeit bewegt sich hier entgegen des Uhrzeigersinns. Mit dem Kompressor wird die gasförmige Kühlflüssigkeit flüssig gemacht. Außerdem schiebt er die Kühlflüssigkeit an. Er überträgt mechanische Energie durch Arbeit auf das System. An dieser Stelle haben wir ein Drosselventil. Die Kühlflüssigkeit wird allmählich entspannt. Sie wird gasförmig. Der Druck sinkt und damit die Temperatur. Der blaue Bereich ist der Verdampfer des Systems. Es ist die kalte Seite des Systems, hier herrscht ein niedriger Druck. Die Wärme Q2 gelangt vom Kühlraum in die Kühlflüssigkeit. Schauen wir uns einmal die Energiebilanz an: Q1 = Q2+W. Und wer mit Vorzeichen der Übertragungsrichtung arbeitet, der setzt Q1 noch in Betragsstriche. 6. Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe und Kältemaschine im Vergleich: Wir wollen uns noch einmal die schematischen Arbeitsweisen anschauen, der Wärmekraftmaschine, der Wärmepumpe und der Kältemaschine. Wir erinnern uns: Die Wärmekraftmaschine stand zwischen den beiden Wärmereservoirs. Warm und kalt. Genau so ist das bei der Wärmepumpe. Wir haben es ja bereits gesehen. Und natürlich auch bei der Kältemaschine. Bei der Wärmekraftmaschine gelangt Wärme hinein und weniger Wärme hinaus. Die Wärmekraftmaschine verrichtet Arbeit. Wir wollen nun einmal die Reservoirs benennen. Das Warme ist bei der Wärmepumpe das Haus. Das Kalte ist die Umwelt. Aus der Umwelt gelangt Wärme über das System zum Haus. Dort ist die Wärme noch größer als die abgeleitete. Kompensiert wird der Betrag durch die Arbeit, die am System geleistet wird. Bei der Kältemaschine ist das warme Reservoir die Umwelt. Das kalte Reservoir ist der Kühlraum. Die Wärmebewegung und geleistete Arbeit ist analog zur Wärmepumpe. Kurz gefasst können wir es so formulieren: Bei der Wärmekraftmaschine wird Wärme in Arbeit umgewandelt. Bei der Wärmepumpe wird Arbeit in Wärme umgewandelt. Genauso verhält es sich bei der Kältemaschine. Die Wärmekraftmaschine ist eine Antriebsmaschine. Bei der Wärmepumpe wird unter Arbeitsaufwand ein thermodynamisches System erwärmt. Bei der Kältemaschine wird unter Arbeitsaufwand ein thermodynamisches System gekühlt. Das war ein weiterer Film von André Otto. ich wünsche Euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.

2 Kommentare
  1. Hat mir sehr geholfen danke für das Video!

    Von Itslearning Nutzer 2535 8528, vor 10 Monaten
  2. Reden Pause Reden Pause Reden Pause Reden Pause ich schlafe dabei ein

    Von Itslearning Nutzer 2535 11569, vor 10 Monaten

Kältemaschine und Wärmepumpe Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kältemaschine und Wärmepumpe kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Funktion der Wärmepumpe.

    Tipps

    Wärmepumpe und Kältemaschine tun zwar prinzipiell das Gleiche, werden aber entsprechend ihrer Verwendung unterschiedlich genannt.

    Lösung

    Mit einer Wärmepumpe kann man z.B. sein Haus heizen. Die Wärmepumpe erzeugt dem Namen nach Wärme. Dies geschieht durch Arbeit. Es wird also ein kühleres Medium aus der Umgebung genutzt, welches durch Arbeit erwärmt und dann zum Wärmen verwendet wird. Dazu in Aufgabe 2 mehr.

    Bei der Kältemaschine passiert genau das Gleiche, wobei die Wärme weggeleitet wird.

  • Ordne den Maschinen die richtigen Objekte zu.

    Tipps

    Auch wenn beide Maschinen in etwa das Gleiche tun, werden sie unterschiedlich verwendet.

    Lösung

    Was ist nun der Unterschied zwischen einer Kältemaschine und einer Wärmepumpe?

    Das kommt ganz darauf an, ob man die Maschine zum Wärmen oder Kühlen verwendet.

    So sind der Kühlschrank und die Klimaanlage eine Kältemaschine, die Hausheizung aber ist eine Wärmepumpe.

    Der Bunsenbrenner und auch die Wärmeströmung in einem Becherglas sind keine Wärmekraftmaschinen.

  • Erläutere die Beheizung eines Hauses.

    Tipps

    Wenn du nicht weiter kommst, versuche aus dem Kontext zu erkennen, welcher Begriff in die Lücke passt.

    Eine Wärmepumpe transportiert Wärme aus einem kühleren Gebiet und erwärmt sie dabei. Da wir hier einen Kreislauf haben, muss das Ganze irgendwo von vorne anfangen können.

    Lösung

    Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Haushalt?

    Die Wärmepumpe besteht aus Rohren innerhalb und außerhalb des Hauses sowie einem Kompressor.

    Der Kompressor erhöht den Druck in den Rohren, wodurch das Kühlmittel flüssig wird und sich die Wärme erhöht (der Kompressor verrichtet Arbeit).

    Diese Wärme wird zum Heizen des Hauses verwendet. An der Hauswand befindet sich ein Drosselventil. Dort verringert sich der Druck des Kühlmittels. Es wird gasförmig und die Temperatur fällt. Das Kühlmittel nimmt die Außentemperatur an und kann im Kompressor wieder verflüssigt werden.

  • Benenne die Zustände der Kühlflüssigkeit im Kühlschrank.

    Tipps

    Der graue Kasten stellt den Kühlraum dar. Achte auch auf die Farben der Rohre. Damit weißt du, wo es warm und kalt sein soll.

    Hoher Druck bedeutet hohe Temperatur.

    Lösung

    Jeder hat einen Kühlschrank, aber wenige beschäftigen sich damit, wie er funktioniert:

    Unter Verrichtung von Arbeit wird Wärme aus dem Kühlraum abgeführt und mit mehr Wärme an die Umwelt abgegeben.

    Dieses Mehr an Wärme entsteht durch die verrichtete Arbeit.

    Der Kompressor komprimiert das Kühlmittel, wodurch es flüssig und warm wird. Außen am Kühlschrank verliert das Kühlmittel aber gleich wieder Wärme.

    Am Drosselventil geht das Kühlmittel in den Kühlraumbereich über. Das Drosselventil verringert den Druck und das Kühlmittel wird gasförmig.

    Da niedrigerer Druck eine niedrigere Temperatur bedeutet, kühlt das Kühlmittel ab und kann wieder Wärme aus dem Kühlraum aufnehmen. Es gelangt dann wieder zum Kompressor und alles geht von vorne los.

  • Benenne Unterschiede zwischen Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe und Kältemaschine.

    Tipps

    Bei Wärmepumpe und Kältemaschine wird unter anderem Wärme "verschoben".

    Lösung

    Wo liegen denn überhaupt die Unterschiede dieser Maschinen?

    Wärmepumpe und Kältemaschine tun im Grunde dasselbe, nur werden sie für gegenteilige Zwecke verwendet: zum Heizen oder zum Kühlen.

    Aber in beiden Fällen transportieren sie Wärme unter Einwirkung von Arbeit woanders hin. Durch die Arbeit wird allerdings zusätzliche Wärme erzeugt.

    So wird aus dem Kühlraum Wärme abgeführt. Dahinter entsteht aber dafür noch mehr Wärme.

    Die Wärmekraftmaschine wird verwendet, um mithilfe von Wärme Arbeit zu verrichten.

  • Berechne den thermischen Wirkungsgrad der Kältemaschine.

    Tipps

    Wir haben hier nur zwei Temperaturen. Wir können also nur eine Gleichung wählen, die aus Temperaturen besteht.

    Das Ergebnis ist einheitenlos. Die Gleichung ist ein Bruch, in dem sich die Temperatureinheiten wegkürzen.

    Lösung

    Um Kältemaschinen miteinander zu vergleichen und ihre Effektivität zu ermitteln, müssen wir die Leistungszahl herausfinden.

    • Dazu könnten wir die abgeführte Wärme und die verrichtete Arbeit benutzen:
    $\varepsilon=\dfrac{Q_2}{W}$ .

    Das ist allerdings schwieriger messbar. Würden wir die Leistungszahl kennen, könnten wir die abgeführte Wärme leicht ermitteln. Das wäre z.B. vor dem Kauf/der Verwendung interessant.

    • Wir wollen aber die Leistungszahl ermitteln. Das geht leichter über die Temperaturmessung der beiden Temperaturen im Kühlraum und außen:
    $\varepsilon=\dfrac{T_2}{T_1-T_2}=\dfrac{7~C^\circ}{30~C^\circ-7~C^\circ}=0,3$.