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Kältemaschine und Wärmepumpe

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Die Autor*innen
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André Otto
Kältemaschine und Wärmepumpe
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse

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.

  • 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 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:
    $\varepsilon=\dfrac{T_2}{T_1-T_2}=\dfrac{7~C^\circ}{30~C^\circ-7~C^\circ}=0,3$.

  • 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.

  • 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.

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