Ausgewählte Kapitel der Physik

Wärme27.06.2012 AKP10_3

27.06.2012

WärmeDie Wärmelehre fußt auf den Gesetzen der Mechanik.

• Es ist zu unterscheiden zwischen dem Wärmezustand, angegeben als Temperatur eines Körpers (in °C) und• Der Wärmeenergie des Körpers, gemessen in Energieeinheiten (in Joule)

Zu den Fotos: im Winterbild oben ist die Temperatur niedriger als in der Flamme unten, trotzdem steckt oben viel mehr Wärme-Energie drinnen als in der Flamme.

Temperatur:Die Temperatur ist eine Messgröße für die mittlere Bewegungsenergie eines Atoms .

Im festen Körper ist dies die Schwingungsenergie der Atome um ihre Gleichgewichtslage, die potenzielle und kinetische Energie in drei Richtungen.

In der Flüssigkeit schwingen die Atome ebenfalls, sie stoßen sich gegenseitig.

Im Gas bewegen sich die Atome und Moleküle mit großen Geschwindigkeiten ( im Mittel etwa 1000m/s) da die freien Weglängen größer sind, außerdem können Sie rotieren und wie Federn vibrieren.

Diese Art der Darstellung von Wärme nennt man „Kinetische Wärmetheorie“

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Wärme

Viele Eigenschaften eines Körpers hängen von der Temperatur ab und daher können diese Eigenschaften zum Anzeigen und Messen der Temperatur verwendet werden:

• Das Volumen der Körper und damit sämtliche Abmessungen nehmen in der Regel mit steigender Temperatur zu.

• Der feste Zustand eines Stoffes hat tiefere Temperatur als der flüssige und gasförmige. Umwandlungspunkte fixieren Temperaturskalen.

• Der elektrische Widerstand der Metalle steigt mit der Temperatur, bei Halbleitern kann er auch sinken.

• Die ausgesandte elektromagnetische Strahlung (jeder Körper strahlt !) wird mit zunehmender Temperatur kurzwelliger. Farbänderungen werden beobachtet.

• Die Thermospannung steigt mit zunehmendem Temperaturunterschied.

• Die meisten tabellierten Material -Konstanten sind von der Temperatur her gesehen keine Konstanten, man muss sie immer zusammen mit einer Bezugstemperatur angeben:

Spezifisches Volumen, Dichte, Schallgeschwindigkeit, Ausdehnungskoeffizienten, elektrische Koeffizienten, und

viele andere Größen der Physik. ( Praktisch nicht betroffen sind davon die Vorgänge in den Atomkernen, deren Energiepotential nämlich um viele Größenordnungen darüber liegt)

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27.06.2012

WärmeTemperaturmessung:

Die Temperatur ist eine der sieben Basisgrößen des internationalen Einheitensystems.Die Einheit ist das Kelvin:

T … absolute Temperatur , [ T ] = 1Kelvin = 1K

Die Temperaturskala beginnt bei 0K = absoluter Nullpunkt, die Skalenteilung wurde so gewählt, dass sie mit der Celsiusskala ( Teilung 1K = 1°C ) zusammenpasst.

Neben dem Kelvin sind auch °C oder °F gesetzlich erlaubte Temperaturskalen. … Celsiustemperatur, [] = 1°C

Bestimmte thermische Fixpunkte werden zur Verankerung der Skalen bzw. zur Kalibrierung von Messgeräten benötigt:Z. B.: Schmelzpunkte, Siedepunkte und Umwandlungspunkten von reinen Substanzen unter definierten Bedingungen. (Luftdruck,..). Ein Tripelpunkt ist diejenige Temperatur, bei der alle drei Aggregatszustände ( fest, flüssig, gasförmig) nebeneinander vorliegen. Solche Fixpunkte werden bevorzugt.

Für Wasser liegt er bei = +0,01°C bei p= 6,1 mbar

Der absolute Nullpunkt T= 0K liegt bei = - 273,15°C Die Umrechnung erfolgt daher mit T = ( /°C + 273,15) K

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27.06.2012

WärmeTemperaturmessung durch:

Volumensänderung von GasenDruckänderung von GasenGasdruckthermometer

Für ideale Gase gilt das Gasgesetz: p * V = m * Rs*T

Um Gasart-unabhängig zu werden, wird die Gleichung nicht mehr auf die Masse, sondern auf gleiche Anzahl von Atomen, auf das mol bezogen. Mit m = Anzahl n der Mole mal Molmasse M : m = n *M und M * Rs = R folgt

p*V=n*R*T mit der allgemeinen Gaskonstante R= 8,315 J/mol/K

Für reale Gas wird eine Volumens- und Druckkorrektur angebracht: (p + a*m²/V²)*(V - b*m) = m *Rs*T „Van der Waals“-Zustandsgleichung“ , a und b sind die Van der Waals-Konstanten

p….. Druck in Pa = 1N/m²V…. Volumen in m³m…..Masse in kgRs Gas-spezifische Konstante J/kg/KT…. Temperatur in K

Gas-Konstante Rs inJ/kg/K | spez. Masse in kg/m³| (bei =°C und 1013,25 mbar)

Helium 2167 |0,1785Luft 289 |1,293Sauerstoff 270 |1,429Stickstoff 297 |1,2503Wasserstoff 4129 |0,08988

Normalbedingungen sind p0 =101325 Pa und T0= 273,15 K .Ein Mol besitzt das Molvolumen V0= 22,414 dm³ Ein Mol sind NA = 6,022*1023 Teilchen, ein Mol wiegt soviel, wie die Molekularmasse in Gramm angibt.

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27.06.2012

Wärme

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Beispiel zum Gas:

Der Herstellen von Ballongas für Luftballone gibt an:Eine Gasflasche enthält 50 Liter He unter 200bar bei 25°C.

Wie viele Normal-Liter sind dies? Welches Volumen kann man der Flasche entnehmen und in Ballons abfüllen?

Wie schwer ist das Gas?

27.06.2012

Wärme

Temperaturmessung:Bitte entnehmen Sie dem Skriptum Temperatursensor (v5b) die Unterpunkte:

Metallische Sensoren ( PT100)Halbleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten (KTY10 von Siemens)Halbleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten Temperaturabhängigkeit der Flussspannung des pn-Übergangs (Transistor)Thermoelemente, Strahlung des Schwarzen Körpers, Strahlungspyrometer

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Wärme

Wärmequellen und WärmetransportBitte entnehmen Sie meinem Skriptum „Halbleiterherstellung“ die Unterpunkte:

3. Erwärmung und Kühlung (Seite 14/20 – 20/20)

Zuverlässigkeit und Lebensdauer (von Halbleiterbauelementen)Wärmeleitung im festen KörperWärmeübergang vom Kühlkörper in die Luft ( Konvektion)Wärmestrahlung Wärmeableitung bei WiderständenWärmewiderstand bei Großkühlkörpern

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WärmeKühlkörperauslegung

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• Die Wärme entsteht am pn-Übergang (junction, j)• Die Wärmeenergie fließt ab dE/dt = Pv (Wärmeverlustleistung)• Erstes Hindernis ist der Übergang vom Chip auf die Grundplatte• weiter durch die Trägerplatte (Wärmeleitung, Wärmewiderstand)• Übergang auf das Gehäuse• Widerstand durch das Gehäuse• Wärmeübergang Gehäuse auf Kühlkörper (ev. mit Isolierscheibe)• Wärmeleitung im Kühlkörper• Wärmeübergang an die Umgebungsluft (ambient, amb )

Vielfach scheitert eine genaue Berechnung an den fehlenden Daten für die Übergänge, die Abmessungen und eingesetzten Materialien.

Die Entwickler beschaffen sich diese Daten vom Hersteller oder gehen mit Erfahrungswerten in die Berechnung.

Es gilt das „Ohmsche Gesetz“ der Wärmeleitung:

(j – amb) = Pv * Rth Rth…Widerstand von Übergang und Leitung

Mitunter kann man auch mit RthJG ( Widerstand vom Chip aufs Gehäuse)mit RthGK ((Übergangswiderstand Gehäuse-Kühlkörper) und dem Widerstand vom Kühlkörper zur Luft das Auslangen finden.