Wie man mit einem Gas Wärme bewegt
Lassen Sie uns einen Schritt zur Seite gehen und betrachten, wie sich Gase verhalten. Wenn Sie schon einmal die Reifen eines Fahrrads aufgepumpt haben, werden Sie wissen, dass ein Fahrradpumper ziemlich warm wird. Der Grund dafür ist, dass sich Gase erwärmen, wenn man sie komprimiert (zusammendrückt). Damit der Reifen das Gewicht des Fahrrads und Ihres Körpers tragen kann, müssen Sie Luft mit einem hohen Druck in den Reifen pressen. Durch das Pumpen wird die Luft (und die Pumpe, durch die sie strömt) ein wenig heißer. Warum ist das so? Da Sie die Luft pressen, müssen Sie mit der Pumpe ziemlich hart arbeiten. Die Energie, die Sie beim Pumpen verwenden, wird in potenzielle Energie im komprimierten Gas umgewandelt: Das Gas im Reifen hat einen höheren Druck und eine höhere Temperatur als die kühle Luft um Sie herum. Wenn Sie ein Gas auf die Hälfte des Volumens komprimieren, füllt die Wärmeenergie, die seine Moleküle enthalten, nur halb so viel Raum, so dass die Temperatur des Gases steigt (es wird heißer).
Artwork: Gase werden heißer, wenn man sie auf ein kleineres Volumen komprimiert, weil man daran arbeiten muss, ihre energiereichen Moleküle enger zusammenzupressen. Wenn Sie zum Beispiel einen Fahrradreifen aufpumpen, saugt die Pumpe die Luft an und drückt sie auf weniger Raum zusammen. Dadurch werden die Moleküle (rote Kleckse) zusammengedrückt und erwärmen sich.
Mehr Wärme durch Umwandlung von Gasen in Flüssigkeiten und zurück bewegen
Wenn Sie einen erfinderischen Geist haben, können Sie sich wahrscheinlich vorstellen, eine Art pumpenähnliche Vorrichtung zusammenzuschustern, die einen Fahrradreifen an einem Ort aufpumpt und dann an einem anderen Ort die Luft ablässt, wodurch Wärme zwischen den beiden bewegt wird. Das ist allerdings eine plumpe Idee, und wir können nicht wirklich viel Wärme auf diese Weise transportieren: Zum einen bräuchten wir sehr viel Gas. Wir könnten jedoch eine anständige Menge an Wärme bewegen, indem wir ein Gas ausdehnen und zusammenziehen lassen, so dass es sich in eine Flüssigkeit und wieder zurück verwandelt – mit anderen Worten, indem wir es in einen anderen Zustand der Materie verwandeln.
Wie würde das funktionieren? Schauen Sie sich an, was mit einer Aerosoldose passiert, die eine Flüssigkeit enthält, die unter Druck steht. Wenn Sie ein Aerosol auf Ihre Hand sprühen, haben Sie wahrscheinlich schon bemerkt, dass es sich sehr kalt anfühlt. Das liegt zum Teil daran, dass ein Teil der Flüssigkeit abkühlt und verdampft (sich in ein Gas verwandelt), wenn sie die Dose verlässt. Es liegt aber auch daran, dass ein Teil der Flüssigkeit auf Ihre warme Haut trifft und dort verdampft: Sie wird zu einem Gas, indem sie Ihrem Körper Wärme entzieht – und dadurch fühlt sich Ihre Haut kühler an. Das sagt uns, dass die Ausdehnung und Umwandlung von Flüssigkeiten in Gase ein sehr effektiver Weg ist, um Wärme von Dingen zu entfernen. Das ist keine große Überraschung: So funktioniert auch das Schwitzen – und warum Hunde an heißen Tagen ihre Zunge herausstrecken, um sich abzukühlen.
Foto: Flüssigkeiten können zu Gasen werden (und Gase kühlen sich ab), wenn man sie auf ein größeres Volumen ausdehnen lässt. Das ist der Grund, warum sich Aerosolsprays so kalt anfühlen.
Obwohl Feststoffe und Flüssigkeiten in etwa den gleichen Raum einnehmen, nehmen Gase sehr viel mehr Platz ein als beide. Die Moleküle in einem Feststoff oder einer Flüssigkeit liegen recht dicht beieinander und ziehen sich gegenseitig mit großer Kraft an. Wenn sich eine Flüssigkeit in ein Gas verwandelt oder verdampft, ziehen sich einige der energiereicheren Moleküle auseinander und brechen weg. Dazu ist eine Menge Energie erforderlich, die als latente Verdampfungswärme bezeichnet wird, und diese Energie muss aus der Flüssigkeit selbst oder aus der Umgebung kommen. Mit anderen Worten, die Umwandlung einer Flüssigkeit in ein Gas ist ein Weg, die Energie von etwas zu entfernen, während die Umwandlung eines Gases zurück in eine Flüssigkeit ein Weg ist, diese Energie wieder freizusetzen. Dies ist im Wesentlichen die Art und Weise, wie Kühlschränke die Wärme aus ihrem Kühlraum nach außen transportieren. Sie verwandeln eine Flüssigkeit im Inneren des Kühlschranks in ein Gas (um die Wärme aus den gelagerten Lebensmitteln aufzunehmen), pumpen es aus dem Schrank heraus und verwandeln es wieder in eine Flüssigkeit (um die Wärme nach außen abzugeben).
Animation: Die Grundidee dessen, was manchmal als mechanische Kühlung bezeichnet wird. Im Inneren eines Kühlschranks (1) verwandeln wir eine Flüssigkeit in ein Gas, um Wärme aus dem Inneren des Kühlschranks aufzunehmen (2), sie nach draußen zu pumpen und sie dann wieder in eine Flüssigkeit zu verwandeln, um die Wärme dort abzugeben (3).
Der Heiz- und Kühlkreislauf
Indem wir Gase zu Flüssigkeiten komprimieren, können wir Wärme abgeben; indem wir Flüssigkeiten zu Gasen expandieren lassen, können wir Wärme aufnehmen. Wie können wir diesen praktischen Teil der Physik nutzen, um Wärme vom Inneren eines Kühlschranks nach außen zu transportieren? Nehmen wir an, wir bauen ein Rohr, das sich teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Kühlschranks befindet und so versiegelt ist, dass es eine durchgehende Schleife bildet. Und nehmen wir an, wir füllten das Rohr mit einer sorgfältig ausgewählten Chemikalie (mit einem niedrigen Siedepunkt), die leicht zwischen Flüssigkeit und Gas hin und her wechselt, was als Kühlmittel oder Kältemittel bekannt ist.Im Inneren des Kühlschranks könnten wir das Rohr plötzlich breiter werden lassen, so dass sich das flüssige Kühlmittel zu einem Gas ausdehnt und den Kühlschrank kühlt, während es durch ihn fließt. Außerhalb des Kühlschranks könnte man das Gas mit einer Art Fahrradpumpe komprimieren, seine Wärme abgeben und es wieder in eine Flüssigkeit verwandeln. Wenn die Chemikalie um den Kreislauf herum floss, sich ausdehnte, wenn sie sich innerhalb des Kühlschranks befand, und sich komprimierte, wenn sie sich außerhalb befand, würde sie ständig Wärme von innen aufnehmen und wie ein Wärmeförderband nach außen transportieren. Auf diese Weise könnten wir ständig Wärme von einem kalten Ort (im Inneren des Kühlschranks) zu einem wärmeren (außerhalb des Kühlschranks) transportieren, was nach den Gesetzen der Physik nicht automatisch geschehen kann (wenn man sie sich selbst überlässt, fließt die Wärme von heißeren Dingen zu kälteren).
Und, Überraschung, das ist fast genau die Funktionsweise eines Kühlschranks. Es gibt ein paar zusätzliche Details, die man beachten sollte. Im Inneren des Kühlschranks dehnt sich das Rohr durch eine Düse aus, die als Expansionsventil bekannt ist (technisch gesehen handelt es sich um eine so genannte feste Öffnung). Wenn das flüssige Kühlmittel durch dieses Ventil fließt, kühlt es sich stark ab und verwandelt sich teilweise in ein Gas. Diese wissenschaftliche Erkenntnis ist manchmal als Joule-Thomson-Effekt (oder Joule-Kelvin-Effekt) bekannt, nach den Physikern, die ihn entdeckt haben, James Prescott Joule (1818-1889) und William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907). Es wird Sie nicht überraschen, dass der Kompressor außerhalb des Kühlschranks nicht wirklich eine Fahrradpumpe ist! Es ist tatsächlich eine elektrisch betriebene Pumpe. Sie ist das, was einen Kühlschrank ab und zu zum Summen bringt. Der Kompressor ist mit einem grillähnlichen Gerät verbunden, das Kondensator genannt wird (eine Art dünner Heizkörper hinter dem Kühlschrank), der die unerwünschte Wärme ableitet.
Foto: Feuchte Luft im Inneren Ihres Kühlschranks enthält Wasserdampf. Wenn der Kühlschrank abkühlt, wird dieses Wasser zu Eis. Der kälteste Teil Ihres Kühlschranks ist das Eisfach im oberen Bereich. Das liegt daran, dass sich das Expansionsventil direkt daneben befindet.
Foto: Hier ist der Kompressor eines typischen Kühlschranks. Beachten Sie die Rohre, die das Kühlmittel auf der einen Seite hinein- und auf der anderen herausführen. Sie können diese Einheit nicht sehen, es sei denn, Sie ziehen Ihr Gerät von der Wand weg, da sie hinten und unten versteckt ist. Weitere Fotos davon finden Sie in der Box unten.