Physik, 1. Trimester - Mechanik, Folge 13

Arbeit durch Wärme

Diese Sendung von Telekolleg-Physik schließt direkt an die letzte Sendung an. Aufbauend auf den Temperaturbegriff und die Gasgesetze werden verschiedene Wirkungen von Wärme dargestellt. Am Ende kann der Hauptsatz der Wärmelehre formuliert werden, der einen Zusammenhang zwischen Wärme, Arbeit und Energie aufzeigt. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

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Heißluftballon

Bild aus der Sendung

An den Anblick eines Heißluftballons haben wir uns gewöhnt. Diese edle Art des Fliegens haben bereits viele Ballon-"Fahrer" erleben dürfen. Ein Massenstart anlässlich eines Wettkampfs ist aber doch ein besonderer Anblick. Es dauert eine ganze Weile, bis ein Heißluftballon starten kann. Zunächst wird in der Hülle mit einem starken Kaltluftgebläse ein größerer Hohlraum geschaffen. Das volle Volumen beträgt 4000 m3. Außen wird die Gondel angehängt, in der später 3 bis 8 Personen Platz finden. In der Gondel sind außerdem einige Gasflaschen gelagert, mit denen ein Gasbrenner betrieben wird. Er wird jeweils für einige Sekunden gezündet, bis der zunehmende Auftrieb der erwärmten Luft eine Gewichtskraft von etwa 5 kN, das entspricht 500 kg, ausgleicht. Der aufsteigende Heißluftballon nützt offensichtlich Wärme, um Hubarbeit zu verrichten. Dieser Zusammenhang wird am Ende der Sendung geklärt.


Aggregatzustände

Bild aus der Sendung

Wärme spielt aber auch in einem ganz anderen Zusammenhang eine Rolle, nämlich bei den Aggregatzuständen. Wasser kann z.B. in fester Form als Eis bzw. Schnee vorliegen; Wasser kann auch in flüssiger Form vorliegen oder in Gasform als sogenannter Wasserdampf. An einer kühlen Glasplatte "kondensiert" aufsteigender Wasserdampf zu feinsten Wassertröpfchen. Für die Übergänge zwischen je zwei Aggregatzuständen gibt es feste Fachbegriffe wie "erstarren" oder "verdampfen", die bereits aus dem allgemeinen Sprachgebrauch bestens bekannt sind. Weniger bekannt sind direkte Übergänge zwischen gasförmig und fest; hier spricht man von "sublimieren" und "desublimieren". Das Gas Kohlenstoffdioxid hat diese seltene Eigenschaft. Wenn es aus einer Druckflasche strömt, bilden sich zuerst weiße Flocken, das sogenannte Trockeneis, das sich mit einer Temperatur unter -65°C sehr gut für besondere Kühlaufgaben eignet. Ein Beispiel für Schmelzen findet oft an Sylvester statt: Beim Bleigießen wird eine Bleilegierung mit niedriger Schmelztemperatur über einer Flamme verflüssigt. Nach dem Erstarren in Wasser bilden sich skurrile Figuren, über die frei spekuliert werden kann.


Spezifische Übergangswärmen

Bild aus der Sendung

Normaler Weise ändert sich bei Zuführung oder Entzug von Wärme die Temperatur eines Materials. Auch bei den Übergängen zwischen Aggregatzuständen muss Energie in Form von Wärme zugeführt werden oder sie muss entzogen werden. Die Temperatur jedoch ändert sich hier nicht. Wird z.B. Eis erwärmt, so entsteht eine Mischung aus Eis und Wasser der festen Temperatur 0°C. Erst wenn alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur wieder. Wenn umgekehrt Wasser gefrieren soll, muss dafür sehr viel Energie entzogen werden. Dies nützen Obstbauern, um mit einem Trick den Nachtfrösten im Frühjahr ein Schnippchen zu schlagen. Sie besprühen die empfindlichen Obstblüten ausgiebig mit Wasser. Dann kann der Frost nicht schaden, weil im Allgemeinen die Kälte einer Nacht nicht ausreicht, um alles Wasser auf den Blüten zu gefrieren. Die Übergangswärmen zwischen den Aggregatzuständen werden jeweils auf ein Kilogramm bezogen und heißen dann z.B. spezifische Schmelzwärme. Abgekürzt werden sie mit einem kleinen Buchstaben q. Der Vergleich von Wasser und Eisen zeigt typische Werte.


Spezifische Wärmekapazität

Bild aus der Sendung

Zurück zu einzelnen Aggregatzuständen ohne Übergang, hier bewirkt die Zufuhr von Wärme eine dazu proportionale Temperaturerhöhung. Der Quotient aus Wärme und dem Produkt aus Masse und Temperaturerhöhung ist eine Materialkonstante, die Konstante wird spezifische Wärmekapazität c genannt. Ihre Einheit Joule durch Kilogramm mal Kelvin deutet an, dass damit eine Energiemenge pro Kilogramm und Kelvin gemeint ist. Ein anschauliches Beispiel ist ein Nachtspeicherofen. Dieser nutzt preiswerte elektrische Energie, die nachts angeboten wird, um mit speziellen Steinen Wärme für den Tag zu speichern. Diese Magnesitsteine weisen eine hohe spezifische Wärmekapazität auf, d.h. bei entsprechend großer Masse und Temperaturdifferenz können sie viel Wärme speichern.


Hauptsatz der Wärmelehre

Bild aus der Sendung

Nachdem nun die Wirkung von Wärme in Bezug auf Temperaturänderungen bzw. zur Änderung des Aggregatzustands geklärt sind, fehlt noch eine Beziehung zwischen den Größen Wärme, Arbeit und Energie. Schließlich werden sie alle in Joule gemessen. Bei einer Dampflokomotive wird viel Wärme durch das Verbrennen von Kohle bereitgestellt. In der Folge erhöht sich die Temperatur des Kesselwassers und damit seine sogenannte innere Energie. Es wird aber auch gehörig Arbeit zum Transport der Wagons verrichtet. Der Versuchsaufbau für Experimente mit Luft aus der letzten Sendung erlaubt ein schrittweises Verständnis. Die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle ist ein Maß für die Temperatur des Gases; die zugehörige Energie der Brown'schen Molekularbewegung heißt innere Energie U. Wird am Gas Arbeit verrichtet, indem man mit dem Kolben das Volumen verkleinert, dann erhöht diese Kompressionsarbeit den Druck und die Temperatur; es erhöht sich die potentielle Energie und die innere Energie. Wird umgekehrt das Gas erhitzt, dann schiebt sich der Kolben nach außen und er kann Arbeit verrichten. Insgesamt gilt dabei der 1.Hauptsatz der Wärmelehre: Die Änderung der inneren Energie ist gleich der Summe aus Arbeit und Wärme. Dabei wird mit dem Vorzeichen plus oder minus dargestellt, ob der Betrag an Joule dem Gas zugute kommt, oder ob er abgeführt wird. Als dieser Hauptsatz noch nicht erkannt war, war die Idee eines perpetuum mobile sehr populär. Heute ist klar, dass es keine Maschine geben kann, die Arbeit verrichtet, ohne dass entsprechend Energie zugeführt wird.


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