Arti­kel­se­rie “Ener­gie­wen­de – muss das sein?”: 16. Kli­ma – Ein wenig Wär­me­phy­sik

Foto: Uberprutser, CC-BY-SA-3.0-nl

Foto: Uberprut­ser, CC-BY-SA‑3.0‑nl

Wir wol­len uns jetzt mit dem Kli­ma und Kli­ma­ver­än­de­run­gen befas­sen. Um die­se Vor­gän­ge aber rich­tig zu ver­ste­hen, ist ein klei­ner Abste­cher in die Wär­me­leh­re der Phy­sik not­wen­dig. Kei­ne Angst vor Phy­sik. Es ist etwas, das Sie oder Ihre Frau täg­lich in der Küche prak­ti­zie­ren. Wir begin­nen mit einem klei­nen Expe­ri­ment. Sie kön­nen die­ses als Gedan­ken­ex­pe­ri­ment nach­voll­zie­hen, aber auch in ihrer Küche prak­tisch aus­pro­bie­ren.

Wir fül­len einen Topf halb­voll mit Was­ser, stel­len ihn auf den Herd und schal­ten den Herd auf die klein­ste Stu­fe. Der Was­ser­topf wird sich lang­sam erwär­men und sie wer­den fest­stel­len, dass nach einer gewis­sen Zeit die Tem­pe­ra­tur nicht mehr steigt, son­dern kon­stant bleibt. War­um? Im Kapi­tel 9 – Kraft­werks­ty­pen hat­ten wir schon gese­hen, dass Wär­me eine sehr flüch­ti­ge Ener­gie­form ist, die das Bestre­ben hat, in ihre käl­te­re Umge­bung abzu­flie­ßen. Genau das pas­siert hier, wenn der Topf sich außen erwärmt. Je höher die Tem­pe­ra­tur wird, umso mehr Ener­gie fließt ab. Irgend­wann fließt genau­so viel Ener­gie ab wie durch die Heiz­flä­che zuge­führt wird. Es herrscht ein Gleich­ge­wichts­zu­stand und die Tem­pe­ra­tur bleibt kon­stant. Man nennt die­se auch „Behar­rungs­tem­pe­ra­tur“.

Wir stel­len den Herd eine Stu­fe höher. Jetzt steigt die Tem­pe­ra­tur wie­der und bleibt auf einem höhe­ren Wert kon­stant. Auf kei­nen Fall darf das Was­ser bei unse­rem Expe­ri­ment anfan­gen zu kochen. Dann kämen ande­re phy­si­ka­li­sche Vor­gän­ge mit ins Spiel, wie in Kapi­tel 10 für den Dampf­kreis­lauf beschrie­ben.

Wenn wir die Ener­gie­zu­fuhr wie­der stu­fen­wei­se zurück­schal­ten, stel­len wir fest, dass sich nach einer Zeit wie­der die­sel­ben Tem­pe­ra­tu­ren ein­stel­len wie beim ersten Erwär­men. Und die Zeit­dau­er, nach der sich jeweils die­sel­be Behar­rungs­tem­pe­ra­tur ein­stellt, ist in etwa genau­so lang wie bei der Erwär­mung.

Wir wie­der­ho­len die Ver­suchs­rei­he, jetzt aber mit vol­lem Was­ser­topf. Wir wer­den fest­stel­len, die Behar­rungs­tem­pe­ra­tu­ren, die sich ein­stel­len, sind die­sel­ben. Aller­dings sind die Zei­ten, bis sie sich ein­stel­len, etwa dop­pelt so lang.

Sie sagen das sind doch Bana­li­tä­ten. Rich­tig! Es sind Bana­li­tä­ten weil sie unse­rer täg­li­chen Lebens­er­fah­rung ent­spre­chen. Die­se Bana­li­tä­ten fol­gen aber grund­le­gen­den, unver­än­der­li­chen Natur­ge­set­zen, die sich auf vie­le ande­re Vor­gän­ge über­tra­gen las­sen, bis hin zu Kli­ma­ver­än­de­run­gen. Wir hal­ten fol­gen­de Erkennt­nis­se fest:

  1. Wird einem Medi­um (Fest­kör­per, Flüs­sig­keit oder Gas) Ener­gie zuge­führt, so erhöht sich des­sen Tem­pe­ra­tur. Die zuge­führ­te Ener­gie wur­de „absor­biert“, in Wär­me­en­er­gie umge­wan­delt und gespei­chert. Je grö­ßer die Mas­se, umso mehr Ener­gie kann gespei­chert wer­den.
  2. Eine Behar­rungs­tem­pe­ra­tur stellt sich ein, wenn sich eine Balan­ce zwi­schen zuge­führ­ter und abge­führ­ter Ener­gie ein­ge­stellt hat.
  3. Die­ser Vor­gang benö­tigt Zeit. Der Tech­ni­ker spricht von einer „Zeit­kon­stan­ten“. Hin­ter die­sem Begriff ver­birgt sich eine mathe­ma­ti­sche Funk­ti­on, mit der sich alle zeit­ab­hän­gi­gen Vor­gän­ge in Natur und Tech­nik beschrei­ben las­sen, die einem neu­en Beharrungszustand/​Gleichgewichtszustand zustre­ben. In unse­rem Fall wird die­ser Begriff noch prä­zi­siert als „ther­mi­sche Zeit­kon­stan­te“.
  4. Für Erwär­mungs- und Abküh­lungs­vor­gän­ge ist die­se ther­mi­sche Zeit­kon­stan­te annä­hernd gleich.
  5. Die Grö­ße die­ser ther­mi­schen Zeit­kon­stan­ten ist abhän­gig von der Mas­se des betrof­fe­nen Medi­ums. Je grö­ßer die Mas­se, umso län­ger die Zeit­kon­stan­te.

Wie wir mit die­sen „bana­len“ Erkennt­nis­sen auf Basis von Natur­ge­set­zen unse­re direk­te Umwelt bis hin zum Wet­ter und Kli­ma bes­ser ver­ste­hen kön­nen, damit beschäf­ti­gen wir uns in den näch­sten Fol­gen.

Die­ter Lenz­kes
Bür­ger-für-Bür­ger-Ener­gie
www​.bfb​-ener​gie​.de

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