Gasphysik

Wärme

Warum rede ich von Wärmentzug anstatt von Kühlung?

Wir sind es gewohnt in °C zu denken. 0°C stellt dabei den Gefrierpunkt (Schmelztemperatur) von Wasser dar. Positive °C bezeichnen wir als Wärme; negative °C als Kälte.

Physikalisch gesehen stellen aber auch bitterkalte - 40°C Wärme dar. Erst wenn die Temperatur - 273°C erreicht hat, kann keine Rede mehr von Wärme sein. Das Element besitzt keine Wärmeenergie mehr. Kälter kann es nun nicht mehr werden: die tiefstmögliche Temperatur ist damit erreicht.

Warum ist das so?
Wärme ist eine absolute Energieform. Ist keine Energie in Form von Wärme vorhanden, misst man - 273 °C oder 0° K (Kelvin). Selbst im tiefen Weltall kann es nicht kälter werden; wie beruhigend zu wissen!

Die Einheit Kelvin stellt dabei eine direkte Aussage bzgl. der enthaltenen Energie in Form von Wärme dar. Im technischen und physikalischen Bereich rechnet man deshalb viel eher in Kelvin als in ° Celsius.

Merke:
- 273 K = 0° C
0° C = 273 K

Die Notwendigkeit auch bei Gasen in Kelvin zu rechnen erklärt sich leicht anhand folgenden Beispiels.

Beispiel 1:
Um wie viel hat sich die in einem Gas gespeicherte Wärmeenergie bei Erhitzung von 27°C auf 327°C erhöht? Antwort: um den Faktor 2.

Betrachten wir die Temperaturangaben in Kelvin wird uns das unmittelbar klar:

27°C = 300 Kelvin
327°C = 600 Kelvin

Druck

Isotherme Zustandsänderung

Isotherm bedeutet, dass die Temperatur der Gase gleich bleibt. Ansonsten müssten wir die Gesetze der Thermodynamik einfließen lassen. Die Thermodynamik ist mathematisch eine etwas komplexe Angelegenheit.
Bei den folgenden Betrachtungen bleiben wir bei der isothermen Annahme. Sie reicht zur Erklärung der einzelnen Vorgänge.

Ideale Gase

Komprimieren wir ein Gas langsam genug, wird sich seine Temperatur nicht erhöhen. Unter diesen Bedingungen ist das Produkt aus Druck p und Volumen V eine Konstante. Dieser Vorgang wird in einem weiten Temperatur- und Druckbereich durch folgende Gleichung beschrieben.

Merke:
p * V = konstant

Siedepunkte einiger Gase bei 1,013 bar:
Sauerstoff (O2) = 90 K = - 183°C
Stickstoff (N2) = 77 K = - 196°C
Methan (CH4) = 111,7 K = - 161,5°C
Propan (C3H8) = 225,5 K = - 47,7°C
n-Butan (n-C4H10) = 272,7 K = - 0,5°C

Bei den meisten, wie auch den im folgenden betrachteten Gasen, liegt der Siedepunkt aber so tief, dass wir die Formel anwenden können. Wir betrachten immer eine Temperatur von 15°C.
So können wir die Umrechnung des Volumens bei Druckänderung mit folgender Gleichung bestimmen:

p1 * V1 = p2 * V2

Beispiel 2:
Wir haben 1 m³ Methan (CH4) bei atmosphärischem Druck (1,013 bar) vorliegen. In welchem Volumen lässt sich das Gas bei 200 bar komprimieren?

p1=1 m³ = 1000 l

V2 = (p1 * V1) / p2 = (1,013 * 1000) / 200 = 5,065 l

Anmerkung:
Einige Gase besitzen die besondere Eigenschaft unter atmosphärischem Druck direkt vom gasförmigen in den festen Zustand zu wechseln. Verflüssigen lassen sie sich nur unter Druck. Hierzu gehören bzw. folgende Gase:
- Kohlendioxid (CO2): lässt sich erst ab 5,2 bar Druck verflüssigen
- Acetylen (C2H2)
- Butylene

Reale Gase

Es gibt immer Ausnahmen von der Regel. So auch bei unseren Gasen. So verhalten sich einige Gase nicht wie ideale Gase. Die Gleichung p * V = konstant kann nur mittels eines Korrekturfaktor Anwendung finden.

Zu diesen gehören namentlich Helium und Wasserstoff. In einer 50 l-Flasche lassen sind von diesen Gasen bei 200 bar nur folgende Volumina speichern:
Helium (He): 9,1 m³
Wasserstoff (H2): 8,9 m³

Bei einem idealen Gas waren es 10 m³ = 1000 l

Thermik der Gase

Komprimieren wir ein Gas, steigt seine Temperatur. Diesen Effekt kennen wir von der Fahrradpumpe. Besonders kleine Pumpen sind nach Aufpumpen des Reifens im Bereich des Luftauslass heiß geworden. Dass dies nicht an der mechanischen Reibung des Kolbens liegt, können wir dadurch überprüfen, dass wir die gleiche Anzahl Pumpenhübe mit offenem Luftauslass durchführen.

Im Zylinder eines Verbrennungsmotors tritt der gleiche Effekt beim Kompressionshub in Erscheinung. Die Endtemperatur des Verbrennungsgemischs ist hierbei sehr wichtig:

- beim Ottomotor darf sie nicht die Zündtemperatur des Benzins erreichen
- beim Dieselmotor muss sie oberhalb der Zündtemperatur liegen

Die folgende Tabelle gibt noch einmal die Kompressionsendtemperaturen und die Selbstenzündungstemperatur der beiden Kraftstoffe wieder.

Anmerkung:
Würde beim Ottomotor die Zündtemperatur durch den Kompressionshub überschritten, käme es zu einer Selbstentzündung des Gemischs. Eine unkontrollierte Verbrennung wäre die Folge. Der Motor könnte hierdurch leicht zerstört werden.

Eine solche Selbstzündung tritt in der Praxis aber nicht auf. Auch wenn falscher Sprit (z.B. Normal statt Super) getankt wird. Das allgemein, bekannte Phänomen des Klingeln bzw. Klopfen von Ottomotoren entspricht NICHT diesem Selbstzündeffekt. Das Klingeln beruht auf einem grundlegend anderen Effekt. Das Gemisch brennt hier NACH Zündung durch die Zündkerze zu schnell durch bzw. wird durch Verkokelungen im Zylinder gezündet.

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