| Autor |
Nachricht |
Patrick
Anmeldungsdatum: 05.07.2006
Beiträge: 417
Wohnort: Nieder-Wöllstadt
|
 Patrick Verfasst am: 10. Jun 2008 18:01 Titel: Wärmeaufnahme von Stoffen |
 |
|
-> Erklären Sie, weshalb Metalle sich schneller erwärmen und langsamer
abkühlen als Holz oder so. Erklären Sie dies auch mikroskopisch!
-> Ich denke, dass Metalle so schnell warm werden, weil sie eine geringe Wärmekapazität haben. Die geringe Wärmekapazität liegt an den wenigen Freiheitsgraden der Atome (???)
Oder was ist eure Meinung?
Und wieso kühlen Metalle langsamer ab als Holz?  |
|
 |
dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
|
| dermarkus Verfasst am: 10. Jun 2008 18:58 Titel: |
|
|
Die spezifische Wärmekapazität von Metall ist in der Tat etwas kleiner als die von Holz.
Eisen und Stahl: ca. 0,5 J/(g*K)
Aluminium: ca. 0,9 J/(g*K)
Holz: Kiefer: 1,4 J/(g*K) ; Eiche: 2,4 J/(g*K)
feuchtes Holz hat dabei eine deutlich größere Wärmekapazität als trockeneres
(vergleiche zum Beispiel Seite 8 in http://element.fkp.physik.tu-darmstadt.de/physik4bi/material/bivor08.pdf )
Das kann aber für deine Beobachtung, dass sich Metall schneller zu erwärmen und langsamer abzukühlen scheint als Holz, nicht als Erklärung ausreichen, denn eine kleinere Wärmekapazität würde ja auch wieder ein schnelleres Abkühlen bedeuten.
----------------------------------------------
Ich glaube daher, dass du mit deiner Beobachtung etwas anderes gemeint hast:
Warmes Metall fühlt sich deutlich wärmer an als warmes Holz derselben Temperatur. Das liegt daran, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metall viel größer ist als die von Holz, und dass das warme Metall der fühlenden Hand deshalb viel schneller Wärmeenergie zuführt als das warme Holz.
(Derselbe Effekt lässt sich analog für kaltes Metall und kaltes Holz beobachten: Kaltes Metall fühlt sich viel kälter an als kaltes Holz derselben Temperatur, weil das kalte Metall der fühlenden Hand viel schneller Wärmeenergie entzieht als das Holz.) |
|
|
Nubler
Anmeldungsdatum: 04.06.2008
Beiträge: 120
|
| Nubler Verfasst am: 10. Jun 2008 19:01 Titel: |
|
|
|
metall erwärmt sich u.a. wesentlich schneller, weils ein wesentlich besserer leiter der ersten klasse ist |
|
|
dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
|
| dermarkus Verfasst am: 10. Jun 2008 19:35 Titel: |
|
|
| Nubler hat Folgendes geschrieben: | | weils ein wesentlich besserer leiter der ersten klasse ist |
Diese Aussage betrifft die elektrische Leitfähigkeit. Ob und wie man damit "Erwärmungsgeschwindigkeiten" erklären kann, hast du damit noch nicht klar gemacht.
Magst du mal all die Zwischenschritte, die du bei deiner Überlegung weggelassen hast, mit dazuschreiben und konkret sagen, wie und für welchen experimentellen Fall du damit auf eine höhere "Erwärmungsgeschwindigkeit" für Metalle kommst? |
|
|
Patrick
Anmeldungsdatum: 05.07.2006
Beiträge: 417
Wohnort: Nieder-Wöllstadt
|
| Patrick Verfasst am: 10. Jun 2008 21:00 Titel: |
|
|
Vielen Dank für die kurze Erklärung meines Problems!
Jetzt ein praktisches Problem: Stahl wird mit einen Winkelschleifer (eine
rotierende Schleifscheibe (Durchmesser: 15cm), die sich mit etwa 3000 U/min dreht) und einer konstanten Anpresskraft Schleifscheibe - Werkstück F = 0,4*g (g ist die Erdbeschleunigung) 90 Sekunden lang geschliffen. Die Wärmeenergie berechnet sich aus dem Energieerhaltungssatz (a ist eine Konstante, psi die abgetragene Materialmenge (klein im Gegensatz zur Temperaturänderung))
und einer Störungsenergieannahme:
Der Term mit der 4.Potenz ist vernachlässigbar klein und kann rausfallen.
m (Masse des Werkstückes) ist etwa 100g. Somit kann man die Temperaturänderung berechnen! Übrigens: Wenn man durch die Schleifzeit teilt, ist der Quotient Temperaturänderung/ Schleifzeit konstant.
Aber wie errechne ich die Abkühlungsrate an der Luft??? Kann man auch mit stochastischen Verteilungen umgehen?
Was ist der mikroskopische Hintergrund von der Abkühlung an der Luft
oder an der Erwärmung durch Reibung wie z.B. das Schleifen? |
|
|
Nubler
Anmeldungsdatum: 04.06.2008
Beiträge: 120
|
| Nubler Verfasst am: 10. Jun 2008 21:30 Titel: |
|
|
im metall gibts 2 beiträge zur wärmeleitung:
- die "normale" durch gitterschwingung
- energietransport durch stöße der delokalisierten elektronen
der transport durch stöße ist effektiver => dominante prozess
elektronen sin auch für die elektr. leitfähigkeit zuständig
=> beide sin im wiedemann-franz-gesetz verknüpft
=> gute elektr. leiter sin gute wärmeleiter |
|
|
dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
|
| dermarkus Verfasst am: 10. Jun 2008 22:13 Titel: |
|
|
| Nubler hat Folgendes geschrieben: | im metall gibts 2 beiträge zur wärmeleitung:
- die "normale" durch gitterschwingung
- energietransport durch stöße der delokalisierten elektronen
der transport durch stöße ist effektiver => dominante prozess
elektronen sin[d] auch für die elektr. leitfähigkeit zuständig
=> beide sin[d] im wiedemann-franz-gesetz verknüpft
=> gute elektr. leiter sin[d] gute wärmeleiter |
Ah, okay, dann bist du bei deiner Überlegung davon ausgegangen, dass gute Wärmeleitfähigkeit eine schnelle Erwärmung bedeutet.
Das mag sicher der Fall sein für Körper, deren Volumen groß ist im Vergleich zu der Oberfläche, die erwärmt wird, wenn man am Ende eine verhältnismäßig gleichmäßige Erwärmung des gesamten Körpers erreichen will.
Für Körper mit verhältnismäßig kleinem Volumen und verhältnismäßig großer erwärmter Oberfläche scheint mir hingegen die Wärmekapazität relevanter als die Wärmeleitung werden zu können, was den Einfluss auf die Temperaturänderung pro Zeit angeht. |
|
|
dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
|
| dermarkus Verfasst am: 10. Jun 2008 22:27 Titel: |
|
|
| Patrick hat Folgendes geschrieben: | (a ist eine Konstante, psi die abgetragene Materialmenge (klein im Gegensatz zur Temperaturänderung))
und einer Störungsenergieannahme:
Der Term mit der 4.Potenz ist vernachlässigbar klein und kann rausfallen.
[...] Abkühlungsrate an der Luft
|
Ich finde, den Materialabtrag und die Abkühlung an der Luft sollte man erst einmal noch vernachlässigen, weil es bisher meiner Einschätzung nach in dieser Rechnung bisher noch größere Effekte gibt, um die man sich zuerst kümmern sollte:
| Zitat: |
m (Masse des Werkstückes) ist etwa 100g. |
Dass das m in deiner Formel gleich der Masse des Werkstückes sein soll, geht von zwei näherungsweisen Annahmen aus:
* Du hast angenommen, das gesamte Werkstück erwärme sich gleichmäßig auf dieselbe Temperatur. Ich würde eher vermuten, dass die Wärmeleitung nicht ganz so schnell erfolgt, und dass die direkt geschliffene Stelle viel heißer wird als der Durchschnitt, und dass zum Beispiel die Rückseite des Werkstückes kühler bleibt als der Durchschnitt.
Wenn man sich für die Temperatur interessiert, die der direkt geschliffene Teil des Werkstückes erreicht, dann sollte man für die Schätzrechnung einen deutlich kleineren Wert für die erwärmte Masse annehmen, um hauptsächlich den stark erwärmten Bereich zu betrachten.
* Du hast angenommen, das Schleifrad selbst erwärme sich nicht, oder nehme selbst keine Wärmeenergie auf. Hingegen würde ich vermuten, dass man die Masse des Schleifrades mit zur Masse des erwärmten Stahles hinzurechnen sollte.
Dadurch erhöht sich der Wert für m für die Schätzrechnung also ein bisschen.
------------------------
Das ganze geht natürlich noch davon aus, dass die Schleifscheibe bei der Sache nicht so heiß wird, dass sie kaputtgeht. Im Zweifelsfall wird man da in der Praxis wohl aktiv (zum Beispiel mit Schmiermittel oder mit Wasser?) kühlen. |
|
|
Patrick
Anmeldungsdatum: 05.07.2006
Beiträge: 417
Wohnort: Nieder-Wöllstadt
|
| Patrick Verfasst am: 11. Jun 2008 11:00 Titel: |
|
|
Danke für die Antworten!
Zur Antwort von "Nubler": Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes hängt
mikroskopisch betrachtet von den Schwingungen im Festkörper und von
den Elektronenstößen ab.
Kann ich zur Temperaturerhöhungsberechnung den Energiesatz benutzen oder gibt es da andere Gleichungen?
Wie kann ich Schwingungen und Elektronenstöße im Festkörper mathematisch erfassen? |
|
|
dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
|
| dermarkus Verfasst am: 12. Jun 2008 13:36 Titel: |
|
|
| Patrick hat Folgendes geschrieben: |
Kann ich zur Temperaturerhöhungsberechnung den Energiesatz benutzen oder gibt es da andere Gleichungen?
|
Das kann man nicht so allgemein sagen, denn das kommt darauf an, was du berechnen möchtest.
Wenn ein Körper zum Beispiel durch Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge  gleichmäßig erwärmt werden soll, dann reicht sicher einfach der Energiesatz.
Willst du aber zeit- und ortsabhängig wissen, wann ein Körper wo welche Temperatur hat, wenn man ihn an bestimmten Punkten oder Stellen so und so stark erwärmt, dann müsste man in so einer Rechnung viel mehr berücksichtigen. Für komplizierte Randbedingungen würde ich so etwas dann nicht mehr versuchen wollen, von Hand zu lösen, sondern das müsste man dann wohl irgendwie numerisch machen. |
|
|
|
Registrieren
Login
FAQ
Suchen
