Page - 166 - in Umwelt- und Bioressourcenmanagement für eine nachhaltige Zukunftsgestaltung

166 5 Umweltrelevante Systeme & Technologien 5.1.2.5 Energie in thermischen Systemen Materie ist aus Elementarteilchen (Atomen bzw. Molekülen) aufgebaut. Diese befin- den sich ständig in Bewegung, wobei sie sich in Fluiden (d.h. in Gasen und Flüssig- keiten) frei bewegen und in Feststoffen lediglich am gleichen Ort schwingen. Alle Stoffe beinhalten demnach die kinetische Bewegungsenergie der Elementarteilchen. Die Messgröße für die Bewegungs- bzw. Schwingungsintensität der Elementarteilchen ist die Temperatur T, gemessen in der SI-Einheit Kelvin (1 K). Über die Temperatur lassen sich interessante Beobachtungen zur Bewegungsenergie der Elementarteilchen, auch als thermische Energie bezeichnet, machen: 1. In einem vollständig wärmeisolierten Behälter bleibt die Temperatur konstant. Die Bewegung der Elementarteilchen nimmt nicht ab. 2. Bringt man Objekte unterschiedlicher Temperatur zusammen, erfolgt eine Über- tragung der thermischen Energie vom wärmeren auf den kälteren Körper. Der wärmere Körper kühlt dabei ab, der kältere erwärmt sich, bis die Temperatur aus- geglichen ist. Vorgänge, bei denen eine Temperaturdifferenz zur Übertragung thermischer Energie führt, werden als Wärmeübertragungsvorgänge bezeichnet. In Feststoffen und in ruhen- den Fluiden kann die Wärmeleitung infolge eines Temperaturgradienten (= Tempe- raturänderung pro Längeneinheit) durch das Fourier’sche Wärmeleitungsgesetz be- schrieben werden: dx dTAQx ⋅⋅−= λ (5.1.22) Dabei ist xQ der Wärmestrom in x-Richtung in Watt, A die Fläche des betrachteten Querschnitts (normal auf die x-Achse), und λ ist die Stoffeigenschaft der Wärmeleit- fähigkeit in W/(m.K). Der Wärmestrom entspricht einer Leistung, für die die über einen bestimmten Zeitraum übertragene Wärmemenge Q gilt, analog zu Gleichung 5.1.3: ∫ ⋅= 2 1 )(12 t t dttQQ  (5.1.23) Wärme ist eine aufgrund eines Temperaturunterschiedes transportierte thermische Energie. Die in einem Stoff in einem bestimmten Zustand enthaltene thermische Energie wird durch die Enthalpie H beschrieben. Wird einem Stoff bei konstantem Druck Wärme zu- oder abgeführt, so ändert sich seine Enthalpie um den Wert der Wärmemenge (Definition der Enthalpie): 1212 QHH =− ( p = const. ) (5.1.24) Die Enthalpie berechnet man, relativ zu einem Bezugspunkt (z.B. 1 bar, 298,15 K), für einen Stoff in einem bestimmten Zustand als Funktion anderer Größen (z.B. Druck