Arbeitsblatt: Die Wärmepumpe

Der persönliche Schulservice im Internet Hilfe im Schulalltag SCHOOLSCOUT: Physik Thema: Die Wärmepumpe TMD: 6159 Kurzvorstellung des Materials: • Übersicht über die Teile • Information zum Dokument SCHOOL-SCOUT – schnelle Hilfe per E-Mail Unterschiedliche Energieformen lassen sich in Wärme umwandeln. Durch die Reibung beispielsweise kann mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden, über den ohmschen Widerstand kann elektrische Energie und über den Verbrennungsprozess kann chemische Energie in Wärmeenergie transformiert werden. Das auch Gegenständen Wärme entzogen werden kann, zeigt z.B. der Kühlschrank, der mit einer Wärmepumpe arbeitet. Alles zu diesem Thema sowie zahlreiche Abbildungen bietet dieser Text. Ca. 6,5 Seiten, Größe ca. 26 KByte SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice Internet: E-Mail: SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 2 von 8 Die Wärmepumpe Unterschiedliche Energieformen lassen sich in Wärme umwandeln. Durch die Reibung beispielsweise kann mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden, über den ohmschen Widerstand kann elektrische Energie und über den Verbrennungsprozess kann chemische Energie in Wärmeenergie transformiert werden. Bei der Wärmeübertragung fließ Wärmeenergie vom wärmeren zum kälteren Körper. Die Temperaturdifferenz und das Material beeinflussen, wie schnell eine bestimmte Wärmemenge von dem wärmeren zum kälteren Medium übertragen wird. Sind also Materialien mit unterschiedlicher Temperatur in Kontakt, dann wird so lange Wärmeenergie ausgetauscht, bis ein Gleichgewicht vorhanden ist, d. h., bis beide Körper die gleiche Temperatur vorweisen. Durch die Übertragung der Wärme wird die innere Energie des kälteren Körpers erhöht, und die innere Energie des wärmeren Körpers nimmt ab. Es stellt sich nun die Frage, ob der umgekehrte Weg möglich ist, d. h., den kälteren Körper noch kälter und den wärmeren Körper noch wärmer zu machen. Dabei soll die vorhandene innere Energie des kälteren Körpers weiter abgeschöpft werden, um diese entnommene innere Energie dem wärmeren Körper zuzufügen, damit er sich noch weiter erwärmt. Diese Forderung wirkt auf den ersten Blick paradox, denn es erscheint als unwahrscheinlich, mit kaltem Wasser beispielsweise einen heißen Tee noch weiter erwärmen zu können. Die Wärmepumpe bietet aber dennoch für diese paradoxe Forderung eine technische Lösung. Der Nutzen dieser Pumpe ist in allen Haushalten, durch die Präsenz der Kühlschränke, allgegenwärtig. Die Kälte im Kühlschrank wird mit Hilfe einer Wärmepumpe erzeugt, d. h., die Wärmeenergie wird dem Kühlfach im Kühlschrank entzogen und nach außen abgegeben. SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 3 von 8 Abb.: Wärmepumpe im Kühlschrank: Die Wärme wird aus dem Kühlfach in die Kühlrippen transportiert Auf der Rückseite des Kühlschrankes befinden sich Kühlrippen, die die aufgenommene Wärmemenge an die Luft abgeben. Stellt man beispielsweise eine handwarme Milch in das Gefrierfach, wird die innere Energie der Milch bis zum Gefrieren entzogen, und die Kühlrippen an der Außenwand des Kühlschranks werden erwärmt und geben diese Energie an die Umgebung ab. Um innere Energie vom kühlen zum warmen Medium übertragen zu können, werden die Umwandlungsenergien einer Kühlflüssigkeit beim Verdampfen und Kondensieren technisch eingesetzt. Das Verdampfen und Kondensieren Wenn man z. B. nach dem Schwimmen aus dem Wasser kommt, ist die Verdunstungskälte auf der Haut zu spüren. Das Wasser verdunstet, aber es entzieht für den Wechsel vom flüssigen zum gasförmigen Aggregatzustand der Umgebung sehr viel Wärme. Die Haut bzw. der Körper kühlt sich dabei sehr schnell ab. Je schneller das Verdunsten vor sich geht, desto schneller wird Energie aus der Umgebung entnommen. Alkohol beispielsweise verdampft wesentlich schneller als Wasser. Bei der Desinfektion kennt jeder den kühlenden Effekt von Desinfektionsmitteln. Beim Verdunsten auf der Haut wird dem Körper kurzfristig sehr viel Energie in Form von Wärme entnommen, und die Körperstelle kühlt stark ab. Füllt man beispielsweise Äther in eine Schüssel, dann kann man den Temperaturfall beim Verdunsten nachmessen. Die Wärmeenergie wird für den Wechsel vom flüssigen zum gasförmigen Aggregatzustand dem restlichen Äther entzogen. Im Vergleich zu Wasser gibt es neben dem Äther auch noch andere Stoffe, die sehr schnell verdunsten: SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 4 von 8 Die Stoffe verdunsten bzw. verdampfen um so schneller, je dichter sie sich am jeweiligen stoffabhängigen Siedepunkt befinden. Beim Sieden entspricht der Verdampfungsdruck dem äußeren Luftdruck, so dass z. B. Wasser bei einer Siedetemperatur bei 100C einen Dampfdruck von 1013 mbar vorweist. Wird der äußere Druck verringert, kann Wasser bei einer wesentlich geringeren Temperatur sieden. SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 5 von 8 Abb. Äußerer Druck verändert die Siedetemperatur (Beispiel Wasser) Erhöht sich aber der äußere Druck, dann erhöht sich auch die Siedetemperatur. Das Teilchenmodell liefert die mikroskopische Vorstellung zu diesem Phänomen. Bei einer bestimmten Temperatur bewegen sich die Teilchen mit einer bestimmten Durchschnittsgeschwindigkeit. Da sich einige Teilchen schneller bewegen, haben sie somit die nötige Energie, um die Flüssigkeit als Dampf zu verlassen. Nimmt der äußere Luftdruck ab, ist weniger Energie erforderlich, um gegen den äußeren Druck anzugehen, und es bildet sich mehr Dampf, und bei weiterer Druckverringerung beginnt die Flüssigkeit zu sieden. In diesem Fall ist der äußere Druck so gering, dass sich selbst Teilchen im inneren Flüssigkeitsvolumen verflüchtigen und als Dampfbläschen aufsteigen. Wird andererseits der äußere Druck erhöht, werden die Teilchen wieder in die Flüssigkeit zurückgedrängt, und erst bei höheren Temperaturen sind sie mobil genug, um die Flüssigkeit verlassen zu können. Der Schnellkochtopf nutzt beispielsweise dieses Phänomen aus. Im Gegensatz zum normalen Kochtopf ist der Schnellkochtopf fest verschlossen, so dass beim Kochen der Dampf nicht entweichen kann. Mit steigendem Druck siedet das Wasser bei Temperaturen oberhalb der normalen Siedetemperatur von 100C. Die Speise wird somit schneller und schonender bei einer höheren Temperatur gegart. Im Gegensatz zum Verdampfen geht beim Kondensieren der Stoff vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand über. Bei diesem Prozess wird genau die Wärmeenergie frei, die vorher beim Verdampfen der Umgebung entzogen wurde. Die Kondensationstemperatur ist gleich der Siedetemperatur. Wird der äußere Druck erhöht, setzt auch dementsprechend früher die Kondensation bei der Flüssigkeit ein. SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 6 von 8 Wärmepumpe: Anwendung Kühlschrank Der Kühlschrank besteht im Wesentlichen aus einem geschlossenen Röhrensystem und einem Kältemittel, dass die Eigenschaft hat, schon bei sehr niedriger Temperatur zu sieden. Dieses Kältemittel durchläuft ein Röhrensystem, in dem es beim Umlauf zyklisch verdampft und wieder siedet. Das Röhrensystem durchläuft dabei ein isoliertes Kühlfach und die außen am Kühlschrank angebrachten Kühlrippen. Abb.: Kompressorkühlschrank Die Verdampfung des Kühlmittels findet in dem isolierten Kühlfach statt, wo es der Umgebung bzw. dem Kühlmittel Verdampfungsenergie entzieht. Das Kühlfach kühlt die zu kühlenden Lebensmittel ab. Ein Kompressor pumpt nach dem Durchlaufen des Kühlfachs den Dampf aus dem Verdampfer in den Verflüssiger, wo der Dampf unter dem erhöhten Druck verflüssigt wird. Beim Kondensieren wird hier Kompressionswärme über Kühlrippen an die Umgebung abgeführt. Als Kühlmittel wurde bisher das FCKW-haltige (Fluorkohlenwasserstoff) Frigen eingesetzt. Aufgrund der Gefährdung der Ozonschicht durch chlorhaltige Kältemittel kommen in Zukunft nur noch Flüssigkeiten zur Anwendung, die nicht die Ozonschicht abbauen und nur sehr gering den Treibhauseffekt unterstützen. Ein Ersatzstoff beispielsweise ist R134a (teilhalogenierter Kohlenwasserstoff). Teilweise werden bereits auch Wärmepumpen mit dem klimaunschädlichen Propan hergestellt, und für große Wärmepumpen kommt auch Ammoniak zum Einsatz. Wärmepumpe: Heizung Der Kühlschrank kann bereits als Wärmepumpe bezeichnet werden, da er dem Kühlgut entzogene Wärme nach außen transportiert und die durch den Kompressor erzeugte Kompressionswärme an die Umgebung abgibt. Wird der Kühlraum der Wärmepumpe in einen See, ins Grundwasser oder einfach ins Freie verlegt und der Kondensator in geeigneter Form im Haus installiert, dann kann die Wärmepumpe als Heizung genutzt werden. SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 7 von 8 Abb.: Die Wärmepumpe liefert Energie zum Beheizen von Wohnungen Der See oder das Grundwasser kühlen durch die Verdampfungswärme weiter ab, und die Kompressionswärme des Kühlmittels erwärmt das Haus. So kann auf Kosten z. B. der inneren Energie des Grundwassers ein Haus beheizt werden. Mit den Wärmepumpen lässt sich bei günstigen Bedingungen eine thermische Energie ausbeuten, die dreimal so hoch ist wie die zugeführte elektrische Energie. Es kann nach der Definition (Festlegung) des Wirkungsgrades ein Wirkungsgrad von 400 erreicht werden. SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster SCHOOL-SCOUT Die Wärmepumpe Seite 8 von 8 Der extrem gute Wirkungsgrad der Wärmepumpe täuscht allerdings darüber hinweg, dass die elektrische Energie von der Erzeugung bis zur Endnutzung erheblichen Verlusten unterliegt. Diese Verluste müssen bei korrekter Einschätzung des Wirkungsgrades mit berücksichtigt werden. SCHOOL-SCOUT Der persönliche Schulservice E-Mail: Internet: Fax: 02501/26048 Linckensstr. 187 48165 Münster