Wärmeübertragung 08:37 min

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Transkript Wärmeübertragung

Hallo! In diesem Video geht es um die verschiedenen Formen der Wärmeübertragung. Noch mal kurz zur Erinnerung: Was war noch mal Wärme? Wärme hat das Formelzeichen Q und die Einheit von der Wärme [Q] ist das Joule. Das bedeutet, die Wärme ist eine Form der Energie und die aufgenommene Wärme eines Systems berechnet man mit der Formel: Q=m×c×∆T. Sie ist also abhängig von der Masse des Körpers, von dem Wärmekoeffizienten und von dem Temperaturunterschied. Gut, es gibt 3 verschiedene Arten, wie Wärme von einem Ort zum anderen übertragen werden kann. Die 1. Form ist die Wärmeleitung. Wir haben hier so eine riesige Schraube, und wenn wir die nur auf der einen Seite erhitzen, werden wir schnell merken, dass nach einer Zeit auch die andere Seite warm wird. Klar, wenn innerhalb von Festkörpern Wärme übertragen wird, spricht man von Wärmeleitung. Die Ursache für die Wärmeleitung ist folgende: Die kinetische Energie zwischen den Atomen und Molekülen, die angeregt auf der linken Seite sich befinden, überträgt sich durch Stöße auf Atome und Moleküle auf der rechten Seite. Dadurch passiert ein Temperaturausgleich zwischen der linken und der rechten Seite, denn in der Physik existieren nie 2 energetisch sehr unterschiedliche Zustände nebeneinander. Also, wenn die Schraube hier links warm ist, dann bedeutet das auch, dass die Teilchen in der Schraube schneller sind. Und diese schnellen Teilchen stoßen nun langsamere Teilchen an, die werden dann auch schneller, stoßen wieder andere an und so weiter. Und so überträgt sich dann die Wärme von links langsam nach rechts. Nun gibt es Stoffe, die bessere Wärmeleiter sind als andere. Klar, wenn ihr einen Plastiklöffel in kochendes Wasser haltet, wird dieser weniger schnell warm als beispielsweise ein Silberlöffel. Allgemein kann man sagen: Gute Wärmeleiter sind auch meist gute elektrische Leiter, wie zum Beispiel Kupfer. So, das erst einmal zur Wärmeleitung. Übrigens, auch Flüssigkeiten und Gase können Wärme leiten. Dann spielt aber auch die Durchmischung und die Diffusion innerhalb des Stoffes eine große Rolle. Nun zum 2. Punkt, wie Wärme übertragen wird: nämlich, durch Wärmeströmung oder auch Konvektion genannt. Im Wasser kann Wärmeströmung stattfinden. Wir nehmen hier mal das Beispiel einer Meeresströmung. Eine Meeresströmung kann entstehen durch einen Temperaturunterschied im Wasser an verschiedenen Orten. Wenn das Wasser z.B. hier links wärmer ist, entsteht ein Strom zu dem Ort, wo das Wasser kälter ist. Die warme Meeresströmung kann dann die Wärme an ihre Umgebung abgeben und so das Klima stark beeinflussen. Hierbei handelt es sich also um eine Übertragung von innerer Energie von einem Körper auf den anderen. Betrachten wir nun noch ein weiteres Beispiel für Wärmeströmung: den Fön. Der Fön heizt die Luft in seinem Inneren auf und bläst diese dann nach außen, in Richtung unseres Kopfes. Und dort kann die innere Energie der Luft dann übertragen werden, auf unsere Haare, beispielsweise. Das war also ein Beispiel, wie Wärme durch eine Luftstrom übertragen werden kann. Nun noch ein letztes Beispiel zur Wärmeströmung: die Heizung. In einem Heizungsrohr fließt Wasser. Das Wasser wird unten im Keller aufgeheizt. Da ja warmes Wasser eine geringere Dichte hat als kaltes, strömt dieses nun nach oben und kann dort seine gespeicherte Wärme an die Umgebung abgeben. Dann wird es wieder kälter und fließt nach unten, und dort wird es dann wieder aufgeheizt und fließt wieder nach oben, usw., usw. Gut, ich glaube, Wärmeströmung oder Konvektion genannt ist nun klar. Nun zum 3. Punkt, wie man Wärme übertragen kann: der Wärmestrahlung. Ein typischer Wärmestrahler ist die Sonne. Sie schickt ihre wärmenden Strahlen bis zur Erde. Und was genau sind das für Strahlen? Die wärmenden Strahlen der Sonne sind auch nur elektromagnetische Wellen, haben also dieselben Eigenschaften wie Licht, beispielsweise. Sie befinden sich aber nicht im sichtbaren Bereich, sonder eher meist im infraroten Bereich. Also, das ist dann längerwellig als das Licht. Und das Besondere der Wärmestrahlung im Gegensatz zur Wärmeleitung oder zur Wärmeströmung ist, dass die Übertragung auch im Vakuum passieren kann, das heißt, es wird keine Materie benötigt zur Wärmeübertragung. Ein weiteres Beispiel zur Wärmestrahlung ist ein Lagerfeuer. Hier wird die Wärme zwar auch durch Wärmeleitung und Wärmeströmung übertragen, aber hauptsächlich können wir uns an einem Feuer dank der Wärmestrahlung aufwärmen. Gut, das war es zu den 3 verschiedenen Übertragungsarten von Wärme. Also noch einmal zusammenfassend: Wärme, das ist eine Energieform. Sie kann übertragen werden: 1. durch Wärmeleitung, vor allem in Festkörpern, 2. durch Wärmeströmung oder Konvektion, z.B. eine Meeresströmung, oder  3. durch Wärmestrahlung, die Sonne, zum Beispiel. Gut, also Wärme ist eine Energieform, die übertragen werden kann. Was ist aber im Gegensatz dazu Temperatur? Temperatur hat das Formelzeichen [T] und die Einheit: 1 Kelvin. Und Temperatur beschreibt nun, im Gegensatz zur Wärme, die mittlere Bewegungsenergie von Teilchen. Das heißt, misst man nun einen Temperaturunterschied an einem Körper, kann man dadurch erkennen, wie viel Wärmeenergie auf einen anderen Körper übertragen wurde. Das ist also der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur. Das meist mehrere Formen der Wärmeübertragung zusammen auftreten, möchte ich euch an dieser Glühbirne zeigen. Zunächst ist da das Metall im Inneren der Glühbirne, welches sich durch Wärmeleitung nach und nach immer mehr aufheizt. Dieses Metall gibt seine Wärme an die Luft weiter. Dort kann Wärmeströmung auftreten. Und die gesamte Glühbirne strahlt dann viel Wärme ab, leider, obwohl sie doch eher Licht erzeugen soll. Naja, so ist das halt. Immer hat man ungünstige Nebenwirkungen. So, ich hoffe, das Video hat euch gefallen. Tschüss, bis zum nächsten Mal!    

14 Kommentare
  1. 2bc11df4a36dcbaad6ffe08db5eeb4cf

    subba kemacht, kennau richdiek vür achde glase

    Von Kyokon, vor 5 Monaten
  2. Default

    Super, ich schreibe Morgen eine Physik Arbeit und konnte das mit dem Video nochmal Super durchgehen. Danke.

    Von Gabriele D., vor mehr als einem Jahr
  3. Default

    super hat mir sehr geholfen:)

    Von Sven W., vor mehr als 3 Jahren
  4. Default

    das video hat mir super geholfen.danke! :)

    Von Gkmoritzen, vor mehr als 4 Jahren
  5. Default

    LOL

    Von Annett Seifert, vor etwa 5 Jahren
  1. Default

    Sehr,sehr gut erklärt...

    Jetzt hab ich`s verstanden und brauch keine Panik vor der kommenden Physikarbeit haben...Danke!

    Von Texas Queen, vor mehr als 6 Jahren
  2. Default

    auch für die anfänger der thermodynamik. sehr gut!;-)

    Von Adem19o7, vor mehr als 6 Jahren
  3. Default

    Ich meine Rechnugerklärungen

    Von Pally, vor mehr als 6 Jahren
  4. Default

    Mir felt nur noch die Eechnungenerklärungen

    Von Pally, vor mehr als 6 Jahren
  5. Default

    für mich is das total perfekt wir haben genau die selben formelzeichen und so und ich bin in der 9. klasse am gymnasium jetzt hab ichs endlich verstanden

    Von Seraph235, vor etwa 7 Jahren
  6. Default

    Sehr gut erklärt.... Machst du super....

    Von Deleted User 31656, vor mehr als 7 Jahren
  7. Default

    Für die Schüler aus der 8. Klasse ist das sehr gut erklärt !!! Dankeschön !

    Von Pseizer, vor etwa 8 Jahren
  8. Default

    Also für Schüler ist es denk ich ok zum festigen, weil man bei der Wärmelehre ja auch noch erklärt bekommt was Q, c, dT und so ist. Und wenn man es noch nicht weiß ist das auch eigentlich sehr gut beschrieben. Für Schüler.

    Von Luis, vor mehr als 8 Jahren
  9. Default

    Ich muss leider etwas Kritik loswerden:
    Wen willst du mit dem Video ansprechen? Für Studenten in den Ingenieurs-und Naturwissenschaften ist es nicht zu gebrauchen, da es viel zu oberflächlich und trivial ist. Für Schüler ist es vielleicht ganz ok. Aber die können zb mit der Formel Q=mcdT und innerer Energie nichts anfangen.

    Von Gigato, vor mehr als 8 Jahren
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Wärmeübertragung Übung

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

  • Nenne die drei Arten der Wärmeübertragung.

    Tipps

    Sonnenstrahlen übertragen Wärme auch durch das Vakuum im Weltall.

    In einem Körper wird stets ein Ausgleich der thermischen Energiezustände angestrebt.

    Die Strömungen der Meere beruhen auf Temperaturunterschieden.

    Lösung

    Wärme kann auf drei Arten übertragen werden:

    1.) Wärmeleitung

    Wird Wärme über die Stöße zwischen Atomen und Molekülen weitergeleitet, so spricht man von Wärmeleitung. Das Wirkungsprinzip ist der Angleich der Energiezustände.

    2.) Konvektion

    Diese wird auch als Wärmeströmung bezeichnet. Dabei wird die Innere Energie eines Körpers auf einen zweiten betrachtet. Ein gutes Beispiel ist etwa die Raumheizung: Das Wasser in den Heizungsrohren wird im Keller erhitzt und dann durch die Heizkörper in der Wohnung geleitet. Dabei gibt der Heizkörper Energie an die Raumluft ab.

    3.) Wärmestrahlung

    Die dritte Art der Wärmeübertragung ist die Wärmestrahlung. Hier wird die Wärme als elektromagnetische Welle (im Infrarot-Bereich) übertragen, benötigt also keine Materie zur Übertragung. Das wichtigste Beispiel ist unsere Sonne. Sie übertragt die Wärme durch das Vakuum des Weltalls bis auf die Erde. Dabei sind die Sonnenstrahlen elektromagnetische Wellen, die die Wärme übertragen.

  • Gib die Einheiten zu den Formelzeichen an.

    Tipps

    Wir betrachten die Komponenten Formel : $Q = m \cdot \cdot c_p \cdot \Delta T $.

    Gib die Grundeinheiten an.

    Die Temperatur in der Physik bezieht sich auf den absoluten Nullpunkt.

    Lösung

    Die Einheiten der physikalischen Größen sind sehr wichtig. Verwendet man nämlich die falschen, so wird auch das Ergebnis zwangsläufig falsch sein.

    Betrachten wir die Formelzeichen der Formel für die Wärmeenergie:

    $Q = m \cdot \cdot c_p \cdot \Delta T $.

    Dabei ist $m$ die Masse in $kg$, $c_p$ der Wärmekoeffizient in $\frac{kJ}{kg K}$ und $\Delta T$ in $K$, wobei hier ganz wichtig ist, dass $\delta T$ einen Temperaturunterschied angibt und nicht eine absolute Temperatur.

  • Gib an, welche Art der Wärmeübertragung primär vorliegt.

    Tipps

    Wärmestrahlung kann auch durch ein Vakuum dringen.

    Wenn nur ein Teil eines Silberlöffels erhitzt wird, wird dennoch der gesamte Löffel warm.

    Die Raumheizung überträgt Wärme in den Wohnraum.

    Lösung

    Man unterscheidet die Wärmeübertragung nach Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.

    Diese unterscheiden sich in ihren grundlegenden Mechanismen voneinander. Sie haben jedoch auch Gemeinsamkeiten, etwa, dass wir Beispiele für alle in unserem Alltag finden können.

    Halten wir etwa das Ende eines Silberlöffels (oder einer Schraube) in kochendes Wasser, so wird auch das Ende heiß, welches nicht im Wasser ist. In diesem Fall wird die Wärme des Wasser über die Atome des Löffels geleitet, um sich möglichst gleich zu verteilen. Man spricht hier von Wärmeleitung.

    Die Sonnenstrahlung oder ein Lagerfeuer zeigen die Eigenschaften der Wärmestrahlung recht gut. Diese wird auch ohne Medium übertragen und ist so auch über weite Distanzen als elektromagnetische Welle transportierbar.

    Die Konvektion bezeichnet die Wärmeübertragung von einem auf einen anderen Körper, wie es der Fall ist bei der Meeresströmung, dem Fön oder der Raumheizung.

    Sicher kennst du noch weitere Beispiele, in denen Wärme auf die eine oder andere Art übertragen wird.

  • Berechne die Konvektion.

    Tipps

    Berechne zunächst die Energie, die benötigt wird, um den Pool zu heizen.

    Danach kannst du $Q_{Heiz}$,$ c_p$ und $ \Delta T$ einsetzen, um die Masse der Steine zu berechnen.

    Bedenke, dass $\Delta T$ eine Temperaturdifferenz ist.

    Lösung

    Damit wir das Becken von 12 °C auf 25 °C also um $13K$ aufheizen können, benötigen wir für die $900 kg$ eine bestimme Wärmemenge $Q$.

    $ Q = 900 kg \cdot 4,2 \frac{kJ}{kg K} \cdot 13 K = 49.140 kJ$

    Wir benötigen also eine Energie von $Q_{Heiz} = 49.140 kJ$ , welche die Steine übertragen sollen.

    Dabei ist bekannt, dass diese einen Wärmekoeffizienten von $c_p = 1,5 \frac{kJ}{kg K} $ und eine Temperatur von $85°C$ haben. Unbekannt ist die Masse der Steine.

    Wir stellen also um und erhalten:

    $m = \frac{Q}{\Delta T c_p} = \frac{49.140 kJ}{60K \cdot 1,5 \frac{kJ}{kg K}} = 546 kg$.

    $\Delta T$ beträgt nur 60 Kelvin, da die Steine später genau so warm sein müssen wie das Wasser. Sie weisen also ebenso 25°C auf.

    Demnach müssten wir $ 546 kg$ der Steine in den Pool legen um diesen auf $25°C$ zu heizen.

    So viele Steine wird es in der Sauna wohl kaum geben, dann müssen wir eben in das kalte Wasser springen!

  • Erkläre den Zusammenhang von Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit

    Tipps

    Es ist kaum möglich, einen elektrischen Leiter thermisch zu isolieren.

    Wärmeleitung beruht auf der Bewegung von Teilchen.

    Ein elektrische Strom ist die Anzahl bewegter Teilchen, die pro Zeit einen bestimmen Querschnitt durchfließt.

    Lösung

    Dieser Effekt bezieht sich nur auf die Stoffgruppe der Metalle. Diese leiten sowohl den Strom als auch die Wärme.

    Eine Art der Wärmeübertragung, die Wärmeleitung , beruht darauf, dass Atome und Teilchen in einem Wärmeleiter beweglich sind und aneinanderstoßen. Auch der elektrische Strom beruht auf dem Prozess der Teilchenbewegung. Hier bewegen sich Elektronen entlang eines Ladungsgefälles. Analog dazu bewegt sich auch die Temperatur von heiß zu kalt entlang eines Gefälles. Aufgrund dieser Übereinstimmungen fließt mit einem elektrischen Strom immer auch ein thermischer Strom. Die bewegten Elektronen tragen immer auch eine kinetische Energie, stoßen mit anderen Teilchen im Leiter aneinander und geben so ihre Energie weiter. Dieses macht sich dann in Form von Wärmeübertragung bemerkbar.

    Dieser Effekt stellt in der Isolationstechnik heutzutage ein Problem dar, da ein elektrischer Leiter kaum zu isolieren ist und so Energie verloren gehen kann.

  • Berechne die fehlenden Werte.

    Tipps

    Du kannst die Formel nach $c_p$ , $\Delta T$ oder $m$ umstellen.

    $ 1kJ = 1.000 J $

    Rechne in den Grundeinheiten: $ m $ in $kg$ , $\Delta T$ in $K$.

    Der Wert $c_p$ ist der Wärmespeicherkoeffizient und eine Materialkonstante

    Lösung

    Den Energiezustand der Wärme kann man mit der gezeigten Formel berechnen.

    Dabei ist $Q$ die Wärmeenergie in $kJ$, $m$ die Masse in $kg$, $c_p$ der Wärmekoeffizient in $\frac{kJ}{kg K}$ und $\Delta T$ in $K$.

    Wichtig ist auch hier, die Einheiten zu beachten.

    Betrachten wir eine Musteraufgabe:

    Eine Wassermenge der Masse $m_1 = 5 kg$ und Wärmekoeffizient $c_p = 4,2 \frac{kJ}{kg K}$ wird um $ \Delta T = 80 K$ erhitzt.

    Setzt man in die Formel für $Q$ ein, so ergibt sich:

    $Q = m \cdot c_p \cdot \Delta T = 5 kg \cdot 4,2 \frac{kJ}{kg K} \cdot 80 K = 1680 kJ $.

    Dem Körper wird also eine Wärme von $1680 kJ$ zugeführt.

    Für die Berechnung der anderen, in der Formel enthaltenen Größen musst du nur die Formel umstellen und genauso einsetzen.