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Waermelehre |
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Unterseite Waermelehre von topsurfen.org Physik fuer die Schule
Copyright © Dr. Michael Willamowski
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Einführung:
Die Wärmelehre, auch Thermodynamik genannt, ist ein
Teilgebiet der klassischen Physik. Bei der Wärmelehre geht es um Wärmemenge
oder Wärmeenergie. Sie hat die Einheit Q und wird in Joule gemessen.
Wärmeenergie wird von Wärmequellen geliefert. Du kennst Wärmequellen mit
Verbrennung wie z.B. die Kerzenflamme oder ein Lagerfeuer. Auch eine elektrisch
betriebene Wärmequelle wie ein Elektroherd ist Dir bekannt. Reibe Deine Hände
aneinander und halte sie dann an Dein Gesicht. Jetzt merkst Du: " Durch
Reibung entsteht Wärme ". Wärme ist der Grund für Deine Empfindungen
" warm " und " kalt ". Nach dem Modell der mechanischen
Wärmetheorie wird Wärme durch die Bewegung der kleinsten Teilchen eines Körpers
verursacht. Je stärker die Bewegung der Teilchen eines Körpers, desto höher ist
seine Temperatur und umgekehrt. Bei sehr hoher Temperatur kann ein Körper
schmelzen und schließlich sogar verdampfen.
Wärmelehre
Zwischen der Temperatur
T in Kelvin und der kinetischen Energie E in Joule besteht eine
direkte Proportionalität ( Verhältnismäßigkeit ). Die Temperatur verhält sich
direkt proportional zur kinetischen Energie eines Körpers. Trägt man zueinander
gehörende Werte als Punkte in ein Koordinatensystem ein, so ergibt sich daraus
eine Gerade. Diese Gerade verläuft durch den Ursprung ( Nullpunkt ) des
Koordinatensystems. An dieser Stelle ist die Temperatur Null Kelvin.
Die
eigentliche physikalische Größe, welche sich auf die Temperatur auswirkt, ist
die Bewegungsenergie der Teilchen. Unter Teilchen verstehen wir die Moleküle,
Atome und Ionen, aus denen sich ein Körper zusammensetzt. Je mehr Wärme ein
Körper aufnimmt, desto schneller bewegen sich seine Teilchen. Im gleichen Maße
wächst auch die kinetische Energie der Teilchen.
Wärmelehre
Wie warm oder wie kalt ein beliebiger Körper ist wird durch seine Temperatur bestimmt. Wir können den Wärmezustand eines Körpers ohne Hilfsmittel nur vage feststellen. Unser Wärmeempfinden ist eben subjektiv. Eindeutig und klar können wir aber die Temperatur eines Stoffes mit Hilfe von Thermometern messen. Das gilt für alle Körper, egal ob die Stoffe fest, flüssig oder gasförmig sind.
Ziemlich bekannt sind
Quecksilber-Thermometer mit einer Quecksilber-Säule im Steigrohr und einer
Gradeinteilung gemäß der Celsius-Skala. Diese Celsius-Skala ist unter
Einsatz von Wasser durch zwei feste Punkte bestimmt. Der eine Punkt gibt für
100 Grad Celsius die Siedetemperatur des Wassers an. Der andere Eck-Punkt wird
als 0 Grad Celsius bezeichnet. Diese Temperatur stellt sich in einem Gemisch
aus Wasser und Eis ein. Zwischen diesen beiden Punkten teilt man die Skala in
100 gleiche Teile. Jedem einzelnen Teil entspricht ein Grad Celsius. Die
100-Grad-Einteilung wird jeweils noch zu höheren und niedrigeren Temperaturen
fortgesetzt.
Neben der Grad-Einteilung nach Celsius sind auch Grad-Einteilungen nach Kelvin im Gebrauch. Das kannst Du aus der Abbildung entnehmen. Der englische Physiker William Thomson, genannt Lord Kelvin, führte diese Kelvin-Skala ein. In dieser Skala ist der absolute Nullpunkt auf Null Kelvin oder auf -273 Grad Celsius bzw. genau -273,15 Grad Celsius festgelegt. Dieser Nullpunkt der Kelvin-Skala wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet, weil es keine tieferen Temperaturen gibt.
Wie Du siehst, entsprechen die Temperaturintervalle auf der Kelvin-Skala den Temperaturintervallen auf der Celsius-Skala.
Dem Formelzeichen " t " entspricht die Einheit Grad Celsius, ° C. Dem Formelzeichen " T " ist die Einheit Kelvin, K, zugeordnet. Bei Kelvin bleibt das " ° "-Zeichen weg!.
Wärmelehre
In fester Materie liegen die einzelnen Teilchen
dicht aneinander und " zittern " nur ganz geringfügig um ihre feste Position.
Deswegen erscheinen uns feste Stoffe als hart und lassen sich im Allgemeinen
nicht leicht verformen.
Bei flüssigen Stoffen sind die Teilchen gegeneinander beweglich.
Zusätzlich besitzen sie eine hohe Geschwindigkeit. Da die Teilchen lose
aneinander hängen, kann sich ein flüssiger Stoff beliebig verformen.
Im gasförmigen Zustand fliegen
die Teilchen einzeln und ungebunden durch den Raum. Ein gasförmiger Stoff füllt
den ihm zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus. Teilchen im gasförmigen
Zustand haben eine sehr hohe Geschwindigkeit.
Wärmelehre
Der Zustand eines Stoffes kann
von fest zu flüssig, flüssig zu gasförmig oder fest zu gasförmig erfolgen.
Jeder Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen wird als
Aggregatszustands-Änderung bezeichnet. Wie Du leicht erkennen kannst, nimmt die
Temperatur in der vorliegenden Abbildung von links nach rechts zu und in der
entgegengesetzten Richtung ab.
Wärmelehre
Verdunstung erfolgt unterhalb des Siedepunkts einer
Flüssigkeit. Bei einer Verdunstung geht die Flüssigkeit langsam in einen
gasförmigen Zustand über. Die hierfür erforderliche Wärmemenge wird der
Flüssigkeit und der Umgebung entzogen.
In der Flüssigkeit bewegen sich nicht alle
Teilchen gleich schnell. Moleküle mit einer größeren Geschwindigkeit können von
der Flüssigkeitsoberfläche direkt in die umgebende Luft entweichen. Dabei
müssen sie die Kohäsionskräfte überwinden. Von höherer Temperatur der
Flüssigkeit wird die Verdunstung begünstigt.
Wärmelehre
Schmelzen nennt man das Umwandeln von festen Körpern in flüssige
Körper. Dieser Vorgang erfolgt durch Wärmezufuhr bzw. bei Erhöhung der
Temperatur. Ist der Schmelzpunkt erreicht, so beginnt der Körper zu schmelzen.
Wird einer Flüssigkeit Wärme entzogen, so erstarrt sie bei Erreichen der
Erstarrungstemperatur. Sie erlangt einen festen Aggregatzustand.
Beim
Sieden wandelt sich ein flüssiger Körper in einen gasförmigen Stoff um.
Wenn der Siedepunkt erreicht ist, beginnt die Flüssigkeit zu verdampfen. Der
Siedepunkt ist vom äußeren Druck abhängig. Wasser siedet in Meereshöhe z.B. bei
100 Grad Celsius und in höheren (Gebiets)-Lagen schon bei 90 Grad Celsius. Wird
einem Gas Wärme entzogen, so kondensiert es bei Erreichen der
Kondensations-Temperatur. Es wird flüssig. Es erlangt den flüssigen
Aggregatzustand. Was für Gas gilt, gilt auch für Dampf.
Beim Schmelzen und Sieden erhöht sich die
Temperatur eines Stoffes trotz Wärmezufuhr nicht.
Wärmelehre
Durch Temperaturerhoehung
dehnt sich ein Körper aus. Die Temperaturerhöhung wird durch
Δϑ = T ₂ - T ₁
beschrieben. Der Körper vergrößert sein Volumen.
Beim Abkühlen zieht er sich im gleichen Maße wieder zusammen. Bei Drähten,
Stäben und Schienen sprechen wir in diesem Zusammenhang von einem Längen-Ausdehnungs-Koeffizienten.
Er ist eine Materialkonstante. Sie wird mit Alpha α bezeichnet. Der
Koeffizient gilt für eine lineare Ausdehnung in eine Richtung oder Dimension.
Zum Unterschied dazu müssen wir bei einer Volumenausdehnung alle drei
Dimensionen des Raumes berücksichtigen. Der Raum-Ausdehnungs-Koeffizient wird
mit Gamma γ bezeichnet. Dieser kubische Ausdehnungs-Koeffizient γ ist
etwa dreimal so groß wie der lineare Ausdehnungs-Koeffizient. Das lässt sich
kurz durch
γ ≈
3 α
darstellen. Meist ist der kubische
Ausdehnungs-Koeffizient von Flüssigkeiten sehr viel größer als der von Gasen.
Bitte beachte, dass Du bei diesem Versuch gleich vier griechische
Buchstaben kennen lernst: Alpha α, Gamma γ,
Theta ϑ und Delta Δ.
Hier bedeuten:
l ₁ = Anfangslänge, das heißt Länge bei T ₁ und T ₁ = Anfangstemperatur
l ₂ = Endlänge, das heißt Länge bei T ₂ und T ₂ = Endtemperatur
Δ T = T ₂ -T ₁ und Δ l = l ₂ - l ₁ wobei
α = linearer Ausdehnungs-Koeffizient ist
Δ l = l ₁ mal α mal ΔT
und ∆ T = T₂ - T₁
Die Verlängerung ∆ l wird umso
größer, je höher die Temperatur T ₂ ist.
Wärmelehre
Der lineare Ausdehnungs-Koeffizient ist von der
Anfangstemperatur des Körpers sowie der Temperaturerhöhung und der Art des
Stoffes abhängig.
So nimmt die Länge eines Stabes aus Aluminium bei 18 Grad Celsius um den
Bruchteil von ca.
24 mal 10 - ⁶
pro Grad zu. Dabei ist die Temperatur auf Kelvin oder Grad Celsius bezogen.
Wärmelehre
Ein Bimetall-Streifen
ist eine Verbindung von zwei Metall-Streifen. Die beiden Metalle, hier als
Metall A und Metall B bezeichnet, haben einen unterschiedlichen Wärme-Ausdehnungs-Koeffizienten
Alpha α. Der Streifen rechts in der Abbildung sei erwärmt worden.
Hierdurch dehnt sich der Streifen aus. Das Metall mit dem größeren Alpha α
nimmt stärker zu als der andere. Das Bimetall wird nach der entgegengesetzten
Seite gekrümmt.
Die
Temperaturerhöhung " Δ T ( T₂- T₁ ) " bewirkt also neben dem Ausdehnungs-Koeffizienten
die Krümmung des Metall-Streifens.
Wärmelehre
Eine Kugel möge aus Eisen oder Kupfer bestehen. Im
kalten Zustand oder bei Zimmertemperatur passt sie genau durch den abgebildeten Ring hindurch.
Mit Hilfe einer
Kerzenflamme erhitzen wir die Kugel stark. Jetzt fällt sie nicht mehr durch den
Ring. Sie bleibt nach dieser Erwärmung stecken. Erst eine abgekühlte Kugel
passt wieder durch die Öffnung.
Durch die Erwärmung war die Kugel nicht schwerer
geworden, sie hatte nur ihr Volumen vergrößert.
Wärmelehre
Fast alle Stoffe ziehen sich beim Abkühlen mehr
und mehr zusammen. Für Wasser gilt das nicht. Erwärmt man
Wasser von Null Grad Celsius, dann zieht es sich zunächst zusammen. Bei + 4 °
Celsius hat Wasser sein kleinstes Volumen. Wird Wasser weiter über 4 ° Celsius
hinaus erwärmt, dehnt es sich wieder aus!
Dieses auffällige
Verhalten des Wassers bei + 4 Celsius nennt man die " Anomalie
des Wassers ". Die Wasserteilchen ( Moleküle ) sind im Eis weniger
nahe beieinander. Die Wärmebewegung der Teilchen ist so gering, dass sich die
Moleküle nicht genügend gegeneinander verschieben können. Dieses Phänomen ist
auch der Grund dafür, dass Eis bei dieser Temperatur an der Oberfläche des
Wassers schwimmt.
Wärmelehre
Das in dem Ballon eingeschlossene Gas besitzt eine
innere Energie E. Diese innere Energie setzt sich aus der potentiellen
Energie E ( pot ) und der kinetischen Energie E ( kin ) der Gas-Teilchen
zusammen. Wird nun das Gas in dem Luftballon erwärmt, so erhöht sich die innere
Energie und damit der Druck des Gases.
Der Ballon dehnt sich aus. Ein Teil der
inneren Energie wird in Arbeit W umgewandelt. Diese Arbeit nennen wir
Ausdehnungsarbeit
W = F mal s
Dieser
Bruchteil der Wärmemenge bzw. der inneren Energie ist also in mechanische
Arbeit umgewandelt worden.
Allgemein gilt: "Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt
konstant". Das ist das Prinzip von der Erhaltung der Energie. Diese Aussage
bildet den Inhalt des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik.
Wärmelehre
Die Temperatur T von zwei Körpern A und B bestimmt die Richtung
des Wärmeübergangs von einem Körper zum anderen. Beim Wärmeaustausch geht ein
ausgetauschter Betrag an Wärme Δ Q = ( Q₂ - Q₁ ) von einem Körper mit höherer Temperatur T ( A ) auf einen
anderen mit niedrigerer Temperatur T ( B ) über.
Dieser Vorgang dauert so lange, bis ein Temperaturausgleich zwischen den
Körpern stattgefunden hat. Am Ende haben beide Körper die gleiche Temperatur.
Die schnelleren Teilchen des wärmeren Körpers stoßen die langsameren des kalten
Körpers an und geben dabei kinetische Energie E ( kin ) an diesen ab. Im
Endzustand haben die Teilchen beider Stoffe die gleiche mittlere kinetische
Energie bzw. die gleiche thermische Energie. Dieser Zusammenhang ist der Inhalt
des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik.
Wärmelehre
In der schematischen Darstellung gelangt Wärme durch Erhitzen
von unten an eine Gefäßwand. Die Gefäßwand gibt die Wärme durch Wärmeleitung an
das Wasser im Gefäßinneren weiter. Infolge der Temperaturerhöhung des Wassers
verringert sich seine Dichte im unteren Teil des Wasserbeckens. Das
Wasser gerät in Bewegung.
Bei erwärmtem oder kochendem Wasser
steigt ein wärmerer Wasseranteil nach oben. Ein kälterer Wasseranteil führt
eine Abwärtsbewegung aus. Auf diese Weise entsteht ein Transport kompletter
Flüssigkeitsmassen, die Wärmeenergie mit sich führen. Dabei findet eine
Durchmischung des Wassers statt.
Diese Art von Wärmetransport erfolgt in den Zentralheizungen unserer Wohnungen.
Hier sind die Dichteunterschiede des Vorlaufwassers und des Rücklaufwassers für
die Wärmeströmung verantwortlich. Bei der Warmwasserheizung werden oft
zusätzlich noch Umwälzpumpen hinzugeschaltet, um die die wohltuende Wirkung der
Wärmemitnahme weiter zu erhöhen.
Wärmelehre
Thermosflaschen dienen zum Warmhalten oder
Kalthalten von Flüssigkeiten. Thermosflaschen sollen einen Wärmeaustausch mit
der Umgebung verhindern. Sie sind als doppelwandige Gefäße aufgebaut, bei denen
die Luft zum großen Teil aus dem inneren Zwischenraum entfernt wurde.
Zwischen den Innenwänden herrscht
infolgedessen ein Unterdruck. Zum Schutz vor einer Zersplitterung des Glases
ist das Gefäß meist noch von einem Blechmantel umgeben. Das vorhandene Vakuum
mindert eine Wärmeübertragung sowohl durch Wärmeleitung wie auch eine
Wärmeübertragung durch Wärmeströmung (auch Wärmemitnahme oder Konvektion
genannt ). Die inneren Flächen des Gefäßes sind außerdem glänzend versilbert.
Diese Verspiegelung stoppt eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung.
Das ist die dritte Art eines möglichen Wärmeverlustes für den
Thermosflaschen-Inhalt.
Eine totale Wärmedämmung läßt sich aber nicht erreichen. Man versucht jedoch,
alle drei genannten Arten der Wärmeübertragung so klein wie möglich zu halten.
Wärmelehre
Alle Substanzen ändern ihr Volumen bei einer Temperaturänderung. Meist expandiert ein Körper, wenn seine Temperatur erhöht wird. Beim Abkühlen zieht sich der Körper wieder zusammen.
Bei Flüssigkeiten ist die
Volumenzunahme von der Temperaturänderung und vom ursprünglichen Volumen der
Flüssigkeit abhängig. Zudem wird die Ausdehnung einer Flüssigkeit von der Art
des Stoffes beeinflusst. So dehnt sich Heizöl bei Temperaturerhöhung
stärker aus als Quecksilber und Alkohol wieder stärker als Heizöl. Für
Quecksilber ist die Temperaturabhängigkeit also am geringsten. Die
unterschiedliche Ausdehnung der drei genannten Flüssigkeiten bewirkt somit
einen unterschiedlichen Flüssigkeitsspiegel in den drei Steigrohren bzw. langen
Hälsen der Rundkolben nach der Erwärmung.
Die thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten ist meist sehr viel größer als die von festen Körpern.
Wärmelehre
Erhitzen wir Luft in einem abgeschlossenen Gefäß wie einem
Rundkolben, so kann sich die Luft nicht ausdehnen. Dafür steigt aber der Druck
der Luft im Kolben.
In unserem Versuch leiten wir die
erhitzte Luft oder ein anderes erhitztes Gas durch ein enges Rohr in ein Gefäß
mit Wasser. Die bei der Erwärmung des Kolbens aufsteigenden Gasbläschen im
Wasserbad sind ein Beweis für den Druckanstieg im Kolben. Auf diese
einfache Art lässt sich die thermische Ausdehnung von Luft bei
Temperaturerhöhung nachweisen.
Wenn wir für diesen Versuch einen konstanten Druck voraussetzen, dann dehnt sich jedes Gas bei Temperaturerhöhung um 1 durch 273 seines Volumens bei 0 Grad Celsius aus. In dieser Form gilt das Gesetz für alle Gase gleichermaßen. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten ist also der thermische Ausdehnungskoeffizient " α " von Gasen für alle Gase gleich.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient " α " von Gasen ist also konstant und temperaturunabhängig. Das ist ein Gesetz, das in weiten Bereichen gültig ist.
Wärmelehre
Fast alle Körper dehnen sich bei Erwärmen aus und ziehen sich bei Abkühlen wieder zusammen. Die eintretende Volumenänderung hängt von der Art des Stoffes, von seinem Anfangsvolumen und der auftretenden Temperaturänderung ab.
So muss beim Bauen und in der Technik die Wärmeausdehnung auch von festen
Körpern berücksichtigt werden. Sonst gäbe es durch eine Volumenänderung der
Körper beim Ausdehnen und Wiederzusammenziehen Risse und andere Schäden. Man
baut deshalb zwischen den Platten Dehnungsfugen ein, die mit elastischem
Material gefüllt werden. In der vorliegenden Abbildung sorgt eine spezielle
gummiartige Masse zwischen den Terrassen-Platten für den erforderlichen
Ausgleich. Die Fugen werden enger, wenn es warm ist und sie sind bei Kälte
weiter auseinander.
Auch die Moleküle von festen Körpern benötigen durch heftiger werdende
Schwingungen bei einer Temperaturerhöhung mehr Platz. Im Vergleich zu Gasen und
Flüssigkeiten ist aber die Größe der Ausdehnung für Festkörper bei einer
Temperaturzunahme am geringsten.
Wärmelehre
In den engen Rohren des Verdampfers ( im rechten
Teil der Abbildung ) im Innenraum eines Kühlschranks, wo
Lebensmittel gelagert werden, geht Wärme auf ein so genanntes Kältemittel über.
Durch die Temperaturerhöhung in den Rohren des Verdampfers beginnt das
Kältemittel zu sieden. Es entsteht Kältemittel-Dampf. Der Dampf wird von einem
Verdichter, Kompressor genannt, angesaugt.
Der Kompressor verdichtet
den Dampf und befördert ihn zu einem Wärmetauscher. Hier ( im linken Teil
der Abbildung ) findet eine Verflüssigung des Kältemittels statt. Das unter
Druck verflüssigte Arbeitsmittel erwärmt sich dabei bis weit über die
Raumtemperatur, z.B. die Küchen-Temperatur. Die im Kühlraum aufgenommene Wärme
geht so in die Raumluft über. Die Wärmeenergie wird also an die Umgebung
abgegeben. Nach außen wirkt demnach ein Kühlschrank wie eine Heizung.
Das hinter dem Verflüssiger liegende Drosselventil entspannt das Kühlmittel
wieder auf einen niedrigeren Druck. Anschließend strömt die Arbeitssubstanz
durch die in sich geschlossenen, schlangenförmigen Rohrleitungen wieder in den
Verdampfer zurück und entzieht dem Kühlraum abermals Wärme. Damit bleiben die
Nahrungsmittel gekühlt.
Für den reibungslosen Betrieb des Kühlschranks werden die besonderen
Eigenschaften von Kältemitteln genutzt. Das Kältemittel hat einen Siedepunkt
unter Null Grad Celsius. Im Röhren-System durchläuft es einen Kreislauf, der
durch einen Elektromotor ständig aufrecht erhalten werden muss.
Zu den geeigneten Arbeitssubstanzen gehören gasförmiges Schwefeldioxid,
Ammoniak oder Kohlendioxid. Sie haben ähnliche Eigenschaften miteinander. Es
sind leicht siedende Stoffe.
Wärmelehre
Die Energievorräte der Erde werden immer knapper und sie werden wie z.B. das Öl
immer teurer. Die Sonne dagegen strahlt ununterbrochen.
Deshalb versuchen wir, die Sonne zur Energiegewinnung zu nutzen. Diese von der
Natur umsonst gelieferte Energie wird z.B. in Solarzellen, solaren
Wärmekraftwerken und Sonnenkollektoren genutzt.
Der Sonnenkollektor ist
ein Gerät, mit dem Sonnenstrahlen aufgefangen werden. Die in der Abbildung
skizzierte Wasser-Aufbereitungsanlage ist solch eine Einrichtung. Sie besteht
aus einem Sonnenkollektor, einem Warmwasserspeicher, zwei getrennten
Rohrsystemen und einer Regeleinrichtung. Der Kollektor wird auf einem nach
Süden ausgerichteten Dach unter optimalem Neigungswinkel montiert. So trifft
Sonnenstrahlung auf die mattschwarze Glas-Oberfläche. Die vom Kollektor
aufgenommene Wärmemenge gelangt mit der Kollektorflüssigkeit ( bestehend aus
Wasser oder flüssigem Natrium ) zu dem Warmwasserspeicher. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit
durch eine geregelte Umwälzpumpe beeinflusst. Die Richtungen der
Flüssigkeitsströmungen sind in der Abbildung durch Pfeile gekennzeichnet. Über
den im Warmwasserspeicher eingebauten Wärmetauscher ( ein Gerät, das für den
Temperaturausgleich sorgt ) gibt dann die Kollektorflüssigkeit die aufgenommene
Energie als Wärme an das Brauchwasser im Wärmespeicher ab. Durch die
Wärmemitnahme des Brauchwassers können Räume beheizt werden.
In Zeiten mit wenig Sonneneinstrahlung muss eine elektrisch betriebene
Zusatzheizung eingesetzt werden.
Wärmelehre
Ein Verbrennungsmotor ist eine
Kolben-Kraftmaschine, in welcher durch ein explosionsartiges Verbrennen
Antriebsenergie erzeugt wird. Die Brennstoffe werden in einem Metall-Zylinder
zur Explosion gebracht. Hierdurch drücken sie einen in dem Zylinder gleitenden
Kolben nach unten. Die hin und hergehende Bewegung des Kolbens wird in eine
Drehbewegung umgewandelt.
Das gelingt mit Hilfe einer Pleuelstange,
welche die Kolbenbewegung auf eine Kurbelwelle überträgt. Die für die
Verbrennung benutzten Substanzen haben einen speziellen so genannten
Flammpunkt. Wird dieser überschritten, so tritt eine schlagartige Verbrennung
ein, wenn zusätzlich ausreichend Sauerstoff im Zylinder vorhanden ist.
Kennzeichnend für Verbrennungsmotoren sind die in der Abbildung eingezeichneten
Ventile zum Einlass der Verbrennungsgase und Auslass der Abgase. Diese Ventile
öffnen oder schließen je nach Bedarf im richtigen Moment.
Die bekanntesten Verbrennungs-Kraftmaschinen sind der Ottomotor und der
Dieselmotor. Beide gehören zu den Kolben-Kraftmaschinen.
Beim Ottomotor ( mittlere Skizze ) sorgt ein Gemisch aus Luft und
Benzin für eine rasche Verbrennung. Diese wird durch den Funken einer Zündkerze
ausgelöst, der das verdichtete Gemisch zur Explosion bringt.
Zum Antrieb des Dieselmotors wird als Treibstoff Öl benutzt. Das Öl wird
mittels einer Pumpe, die gleichzeitig als Zerstäuber dient, in den Zylinder
gespritzt und dort verbrannt. Der Dieselmotor ist wegen dieses Vorgangs ein
typischer Einspritzmotor. Bei ihm erfolgt die Verdichtungserhitzung durch
Selbstzündung.
Für den erwünschten gleichmäßigen Lauf der Motoren sorgt außerdem eine so
genannte Schwungscheibe, die einen störungsfreien Betrieb des Motors
ermöglicht.
Wärmelehre
Pflanzenteile in einem Wassertropfen werden mit einem Mikroskop untersucht. Ein
winziger Wassertropfen reicht dafür bereits aus.
Die vier in der schematischen Darstellung
erkennbaren Teilchen schwimmen völlig ungeordnet durcheinander. Sie führen
willkürliche Zickzackbewegungen aus. Die Zickzackbewegung wird bei höherer
Temperatur umso stärker. Die Bewegung erfolgt aufgrund der andauernden,
regellosen Stöße der einzelnen winzigen Wasser-Moleküle. Die Masse der
Pflanzenteile ist sehr groß im Vergleich zu der Masse der Wasser-Moleküle,
deren Zahl aber immens ist. Sie sind so klein, dass sie unter dem Mikroskop
nicht mehr sichtbar gemacht werden können. Man sieht im Mikroskop nur die durch
die Moleküle hervorgerufene Zufallsbewegung der im Tropfen schwimmenden
Pflanzenteile ( in dieser Abbildung als Kreis dargestellt ). Nach
einem Molekülstoß erfolgt eine Richtungsänderung, wie im linken Teil der
schematischen Darstellung zu sehen.
Der englische Botaniker Robert Brown untersuchte im Jahre 1827 als erster diese
nach ihm benannte Molekularbewegung an im Wasser schwimmenden
Pollenkörnern.
Wärmelehre
Rubrik Wärmelehre im Oktober 2006 erweitert.