Physikprüfung

Hallo alle zusammen

Ich habe am Montag meine mündliche Physikprüfung und ich hab noch ein paar Fragen, bei deren Beantwortung ich mir nicht 100% sicher bin, ob das so ausreicht.

1.Beschreiben sie die Wirkungsweise einer Wärmepumpe!
2.Begründen Sie hierbei auch, dass die Leistungszahl > 1 nicht im Widerspruch zum Energieerhaltungssatz steht!
3.Warum wird die reale Leistungszahl nie so groß wie die ideale?
4.Modell Massepunkt und starrer Körper

zu 1.) Die Wärmepumpe dient dazu einem kühleren Reservoir Wärme zu entziehen und es einem wärmeren Reservoir zu zuführen. Hierbei nutzt sie z.B. den umgekehrten Stirling-Prozess. Damit dieser überhaupt anläuft muss Energie eingesetzt und der Punpe insgesamt in Form von Arbeit zugeführt werden.

zu 2.) Die Leistungszahl ist der Quotient aus genutzter Wärme und Energieaufwand oder wärmere Temperatur : ( w.Temp.- kält. Temp.)
Dieser Quotient ist ja immer größer 1.
Aber wie ist das jetzt mit dem Energieerhaltungssatz gemeint?

zu 3.)Bei der realen Wärmepumpe werden alle Energie- und Wärmeverluste mit berücksichtigt. Zum Beispiel geht Wärme, die dem kühleren Reservoir entzogen wird verloren oder durch Reibung geht Energie verloren.

zu 4.) Modell Massepunkt heißt ja nur, dass ich von einem Massenmittelpunkt ausgehe und Form und Volumen vernachlässige, oder?

Über eine Korrekturlesung würde ich mich freuen
lg seagsl

u 1.) Die Wärmepumpe dient dazu einem kühleren Reservoir Wärme zu entziehen und es einem wärmeren Reservoir zu zuführen. Hierbei nutzt sie z.B. den umgekehrten Stirling-Prozess. Damit dieser überhaupt anläuft muss Energie eingesetzt und der Punpe insgesamt in Form von Arbeit zugeführt werden.

Könntest noch genau rausfummeln, wie das Ding funktioniert. Mechanische Arbeit wird verrichtet, also muss ständig Energie zugeführt werden, damit der Kreisprozess funktioniert (aus der Umgebung wird Energie entnommen dadurch, dass man einen Bereich unter Umgebunstemperatur abkühlt). Das hängt mit der Energiebilanz zusammen, siehe 3.

Die Leistungszahl ist der Quotient aus genutzter Wärme und Energieaufwand oder wärmere Temperatur : ( w.Temp.- kält. Temp.)
Dieser Quotient ist ja immer größer 1.
Aber wie ist das jetzt mit dem Energieerhaltungssatz gemeint?

Nehmen wir mal an, du könntest Wärmeenergie vollständig mechanische Energie verwandeln. Das heißt, du erhitzt ein Volumen andauernd und verrichtest nur mechanische Arbeit. Das hieße ja, dass du die thermische Energie ausrichten kannst (du müsstest quasi alle Moleküle in die selbe Richtung ausrichten).
Die Wärmebewegung ist aber entropisch, das heißt, dass es keine ausgezeichnete Richtung geben kann, das Verhalten des Gases entspricht einer ständigen Anstoßung, diese Anstoßungen führen zu einem chaotischen Verhalten. Wenn du also die Wärmeenergie nur benutzen willst, um etwas hochzuheben und nicht etwas zu erwärmen, dann hast du was falsch gemacht, denn du hast vergessen, dass die Moleküle sich ungeordnet bewegen.

Wir schauen uns einfach an, was dein Quotient so macht:

w = T_warm / T_kalt

Wir kennen dazu die Energien:
T -> kT

W = (k T_warm) /(k T_kalt) = Q_1 / Q_2

das heißt: Q_1 = W Q_2

okay, das ist doch mal ein Zwischenresultat. Jetzt müssen wir nur noch schauen, ob W größer 1 sein muss.

Wenn wir eine mechanische Arbeit leisten, sieht unsere Energieerhaltung so aus:

Q_1 = Q_2 + E (das wäre ein Prozess)
Da E positiv sein muss, damit die Energie erhalten ist, und Q_2 positiv ist, kann ich schreiben E = aQ_2 und a ist auch größer 0 und kann umformen

Q_1 = 1Q_2 + aQ_2 = (1+a) Q_2 insbesondere ist 1 + a > 0

Da (1+a) = W ist auch W > 0 und das wollten wir ja.

zu 3.)Bei der realen Wärmepumpe werden alle Energie- und Wärmeverluste mit berücksichtigt. Zum Beispiel geht Wärme, die dem kühleren Reservoir entzogen wird verloren oder durch Reibung geht Energie verloren

Fast genau so ist es, es ist zwar auch Reibung in nem Motor (die ist nie beseitigbar) aber im wesentlichen ist es das Stoßen der Moleküle.

zu 4.) Modell Massepunkt heißt ja nur, dass ich von einem Massenmittelpunkt ausgehe und Form und Volumen vernachlässige, oder?

Fast genau. Dein Massenmittelpunkt heißt meistens Massenschwerpunkt. :wink:

Grüße
Frosch

Hallo,
danke für die Antwort

Nehmen wir mal an, du könntest Wärmeenergie vollständig in
mechanische Energie verwandeln.

Das wäre doch dann ein Perpetuum Mobile 2. Art

Wir schauen uns einfach an, was dein Quotient so macht:

w = T_warm / T_kalt

Wir kennen dazu die Energien:
T -> kT

W = (k T_warm) /(k T_kalt) = Q_1 / Q_2

das heißt: Q_1 = W Q_2

okay, das ist doch mal ein Zwischenresultat. Jetzt müssen wir
nur noch schauen, ob W größer 1 sein muss.

Wenn wir eine mechanische Arbeit leisten, sieht unsere
Energieerhaltung so aus:

Q_1 = Q_2 + E (das wäre ein Prozess)
Da E positiv sein muss, damit die Energie erhalten ist, und
Q_2 positiv ist, kann ich schreiben E = aQ_2 und a ist auch
größer 0 und kann umformen

Q_1 = 1Q_2 + aQ_2 = (1+a) Q_2 insbesondere ist 1 + a > 0

Da (1+a) = W ist auch W > 0 und das wollten wir ja.

Was ist denn das kleine w und das kT?
Könntest du das mit dem Energieerhaltungssatz vielleicht etwas einfacher beschreieben?

Danke im Voraus
lg seagal

Nehmen wir mal an, du könntest Wärmeenergie vollständig in
mechanische Energie verwandeln.
Das wäre doch dann ein Perpetuum Mobile 2. Art


Genau so ist es

Was ist denn das kleine w und das kT?
Könntest du das mit dem Energieerhaltungssatz vielleicht etwas einfacher beschreieben?

Die thermische Energie lautet:

E (oder Q) = mc [Masse mal Materialkonstante] T

wenn jetzt dein T_warm / T_kalt größer sein soll als 1 dann ist auch mcT_warm / mcT_kalt > 1.

Jetzt musst du die Energieerhaltung berücksichtigen.
Die Energieerhaltung sagt das: Zuerst in allgemeiner Form:
In einem abgeschlossenen System ist die Energie erhalten.
Die Energie ist eine Zustandsgröße, die insgesamt unter allen erlaubten Bewegungen (mit den Umständen verträglichen Bewegungen) immer gleich groß bleibt.
Das geht auch mathematisch, aber zur Idee:

Du kannst zu jeder Kraft eine Energie haben. Kraft und Energie hängen mathematisch zusammen, das eine ist das Wegintegral des anderen:

Kraft = Ableitung Energie nach Weg

Wenn du eine höhere Temperatur hast, hast du auch eine höhere Energie. Wenn du in deinem Kreisprozess eine solche Energieerhöhung hast, dann muss diese Energieerhöhung ausgeglichen werden: Energie ist erhalten! Es kann nicht sein, dass einfach ein System heißer wird, ohne dass Energiegleichgewicht da ist.
also ist die Energie zu T_warm
E_warm = m_warm c_warm T_warm

und zu E_kalt
E_kalt = m_kalt c_kalt T_kalt

Für Energiegleichgewicht gilt:
E_warm = E_kalt + E

E_Kalt = aE (E_kalt ist irgendein Vielfaches von E)

E_warm = (1 + a) E_kalt

Da die Konstanten alle positiv sind, muss a positiv sein.

dann ist E_warm / E_kalt = (1 + a) > 1

Hilft das weiter?

Grüße
Frosch

Hallo,

Danke jetzt hab ich es verstanden

Vielen Dank für die Mühe
lg seagal