Was ist Wärme? Arten & Teilchenbewegung

Was ist Wärme ?


Es gibt 3 Arten von Wärme:

image047 - Was ist Wärme? Arten & Teilchenbewegung

Wärme
ist eine Energieform, vereinfacht gesprochen, die kinetische
Energie der Teilchen also die Energie der ungeordneten Teilchenbewegung
(= Brownsche Bewegung).

Im engeren Sinne wird unter Wärme nur
die Energieübertragung von einem System auf ein anderes
verstanden. Dabei gibt es 3 Formen des Wärmetransports:

  1. Wärmestrahlung
    (nicht substanzgebunden)
    …ist elektromagnetische Strahlung, die bei Absorption
    durch Materie
    in Wärme umgewandelt wird.
    Beispiel: Aufwärmung des Körpers durch
    Sonnenstrahlung
  2. Wärmeleitung
    (substanzgebunden),
    Wärmetransfer von einer Substanz auf einen andere durch
    den direkten Kontakt der Teilchen.

    Beispiel: Man berührt eine heiße Herdplatte.
  3. Wärmeströmung
    (= Konvektion; substanzgebunden),
    …ist die Strömung von Materie (Gasen oder Flüssigkeiten),
    die Wärmeenergie mit sich führen.

    Beispiel: Warme Luft steigt auf.


Falls kein Phasenübergang stattfindet, ist die Übertragung
von Wärme stets mit einer Temperaturänderung verbunden
und erfolgt stets in Richtung zur geringeren Temperatur.

1 Kalorie = 4.186 Joule =
die Wärmemenge, die notwendig ist, um die Temperatur von 1
g Wasser um 1 °C zu erhöhen.


Temperatur

Die Temperatur ist eine sog.
Zustandsgröße der Thermodynamik und beschreibt
die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Systems.
(Temperatur ist ein Maß für die mittlere
kinetische Energie einer ungeordneten Teilchenbewegung)


image051 - Was ist Wärme? Arten & Teilchenbewegung

image053 - Was ist Wärme? Arten & Teilchenbewegung

Die Temperaturmessung erfolgt meist über
Wärmeströmung (= Druckerhöhung) z. B. mit
einem Thermometer oder mit den Wärmerezeptoren
(= Ruffinische Endbüschel) der Haut.

Man benutzt neben der Celsius-Skala die
absolute Temperatur in K (Kelvin) um die Temperatur
zu benennen. Bewegen sich die Teilchen nicht mehr muß die
Temperatur = 0° K sein oder -273,16 °C. Dies ist der absolute
Nullpunkt
. Eine solche Temperatur herrscht näherungsweise
im Weltall.

Quelle:
http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html

 

 


Wärme und Teilchenbewegung (Diffusion)
 

Bringt man zwei Körper unterschiedlicher
Temperatur in Kontakt, findet ein Temperaturausgleich
statt (Wärmeübertragung).
Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren
Körper: (
2. Hauptsatz
der Thermodynamik
) Im thermodynamischen
Gleichgewicht haben also alle Bestandteile eines Systems dieselbe
Temperatur.

Unterschiedliche Stoffe können
verschieden gut Wärme speichen. Diese Fähigkeit drückt
man als Wärmekapazität aus:
Unter der Wärmekapazität C eines Körpers
versteht man das Verhältnis der zugeführten Wärmemenge
(DQ)zur erzielten Temperaturerhöhung
(DT): C= DQ/DT.

James Clerk Maxwell (1831-1879)
und Ludwig Boltzmann (1844-1906) entwickelten eine Theorie,
die beschreibt, wie sich Teilchen in einem idealen Gas bewegen:
die Kinetische Gastheorie.

Die Teilchen eines idealen Gases
stoßen miteinander zusammen und ändern dadurch ihre
Richtung. Die mit der Bewegung verbundene Energie wird Kinetische
Energie
genannt.
Die Größe der kinetischen Energie eines jeden Teilchens
ist eine Funktion seiner Geschwindigkeit. In einem Gas haben
die Moleküle unterschiedliche. Diese kann man in einer
sogenannten Geschwindigkeitsverteilung (= Maxwell-Verteilung)
darstellen:

maxwco2n - Was ist Wärme? Arten & Teilchenbewegung


image058 - Was ist Wärme? Arten & Teilchenbewegung

Kollisionen gegen eine Wand
sind ein Maß für den Druck eines Gases. Boltzmann
zeigte, daß die mittlere kinetische Energie der
Teilchen direkt proportional dem Druck des Gases ist.
Die mittlere kinetische Energie der Moleküle ist 3kT/2,
(K= Boltzmann-Konstante, T= Temperatur)

Damit konnte man die
mittlere Geschwindigkeit,
den
Druck
und die
Zusammenstoßwahrscheinlichkeit
berechnen:


mittleres
Geschwindigkeitsquadrat:

vrms
= (3kT/M)½

M=
Molmasse(kg), T=absolute Temperatur

Druck:

P
= nMc2
/3V

n=
Anzahl Mole; M= Molmasse;
V= Volumen

mittlere Zusammenstöße

(1 bar, 25°C)

Z = (p)d2p2NA2vrms(1,414)/2R2T2

d=
Durchmesser, NA= Loschmidtzahl

k=
8,314J/Mol; Molmasse: O2=32, N2=28;
CO2=44; H2O=18
R = 8,31* J/(K*mol)

Die mittleren Geschwindigkeiten
sind sehr hoch und mit über ca. 1500 km/Std schneller als
jedes Verkehrsflugzeug. Da jedoch die
Teilchen nach kurzer Wegstrecke zusammenstoßen ergibt
sich eine weit geringere Diffusionsgeschwindigkeit.

Gas

Vrms –57°C, 0,2 bar (m/s)

Vrms 25°C, 1 bar (m/s)

Z
–57°C, 0,2 bar (/sec Mol/l)

Z
25°C, 1 bar

N2

438,8

515,3

8,9
x 106

1,1
x108

O2

410,5

482

7,4
x 106

7,9
x 107

CO2

350

411,1

7,8
x 106

9,6
x 107

H2O

547

642,7

1.12
x 107

1,01
x 108

Quellen: Lehrbücher der Physik,
Chemie

Fazit aus der Thermodynamik
und Quantentheorie:

Vergleicht man
nun die Zusammenstoßwahrscheinlichkeit der
bei z.B 25 °C für CO2 von 9,6 x
107/ Sekunde mit der Verweildauer der
angeregten Elektronen
des CO2 im angeregten
Vibrationszustand
bei Strahlungsabsorption von
1
x 10 -6
Sekunden,
bevor sie wieder die absorbierte Strahlung emittieren,
fällt auf, daß bei Bedingungen am Erdboden
CO2 im Mittel keine Wärme abstrahlt
werden kann
, da
vorher
ein Zusammenstoß mit anderen Luftteilchen

stattfindet.

 

 

Erst bei Bedingungen von z.B.
-57°C und 0,2 bar ist das im Mittel möglich. Solche
Bedingungen herrschen in ca. 11 km Höhe am oberen Rand
der Troposphäre. Dann ist die Zahl der Zusammenstöße
um ca. 102 kleiner als am Boden. Ein größerer
Teil der Moleküle z. B. CO2 hat dort eine so
kleine Geschwindigkeit und die Dichte ist so gering, daß
die Zeit ausreichend ist, falls Wärmestrahlung absorbiert
wurde die Energie wieder als Wärmestrahlung zu emittieren.

Da ja überall eine Geschwindigkeitsverteilung
vorliegt, haben auch bei der Temperatur in Bodennähe wenige
Teilchen eine so geringe Geschwindigkeit, daß sie strahlen.

Insgesamt
ist also die Abstrahlung oder Nichtabstrahlung der absorbierten
Energie in der Atmosphäre von der Höhe abhängig.
In
Bodennähe überwiegen die Kollisionen und damit der
Energietransfer per Wärmeströmung, in größerer
Höhe überwiegt die Strahlungsemission.

In 11 Km Höhe strahlt CO2
zwar, jedoch die Konzentration ist insgesamt bekanntlich so
klein, daß eine Erwärmung durch CO2 in der Atmosphäre
minimal ist.

Fazit:
CO2 wirkt wegen
der geringen Konzentration und Strahlungsemission in Erdnähe
nur minimal als Treibhausgas!!!
Methan, Ozon usw. sind aus denselben Gründen fast wirkungslos!!!

 

 

 
arch

Hat dir dieser Artikel geholfen?