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Dieser Artikel behandelt den physikalischen Effekt des Abkühlens Zur Abkühlung im Sinne des Abklingens heftiger Emotione
Abkühlung
Als Abkühlung werden Vorgänge bezeichnet, bei denen ein Gegenstand oder ein System von Gegenständen Thermische Energie verliert. Der Vorgang kann in allen Aggregatzuständen eines Objektes stattfinden. Die Materie kühlt sich exponentiell ab, wenn die Umgebungstemperatur geringer ist als die Temperatur der Materie. Ist die Temperatur größer, handelt es sich um eine Erwärmung. Die Umgebungstemperatur kann auch eine Wärmestrahlung darstellen.
Theorie (Thermodynamik)
Bei Feststoffen und Flüssigkeiten verläuft die Wärmeübertragung (bzw. der Entzug der Wärme) entsprechend dem Temperaturgradienten. Dabei wirken drei Prozesse in unterschiedlichem Ausmaß:
- Wärmeleitung (vorwiegend bei Feststoffen und Flüssigkeiten)
- Wärmestrahlung (meist schwächer)(in der Natur vor allem Sonneneinstrahlung und nächtliche Abstrahlung)
- Ad- bzw. Konvektion
Das Ergebnis dieser Prozesse ist ein Temperaturausgleich (siehe 3. Satz der Thermodynamik). Er resultiert immer in einer Erhöhung der gesamten Entropie – d. h. einer Umwandlung verschiedener Energieformen in thermische Energie.
In einem abgeschlossenen System ist daher eine durchgängige (Ab)kühlung unmöglich: Die thermische Energie eines nach außen isolierten Systems kann nur steigen, aber nicht sinken. Im technischen Bereich kann z. B. ein Kühlschrank nur seinen Innenraum kühlen, während die Durchschnittstemperatur des gesamten Raumes steigt.
Weitere Einflussgrößen bei Erwärmungs- oder Abkühlungsprozessen sind
- die Konvektion (bei Festkörpern Null, bei Gasen meist hoch, bei Flüssigkeiten im mittleren Bereich)
- der Wärmeleitkoeffizient und die Wärmekapazität
- die adiabatische Abkühlung, beispielsweise in der Erdatmosphäre bei Ab- und Aufwinden
- der mittlere Temperaturgradient der Atmosphäre (durchschnittlich 5–7 °C pro Kilometer) und die Luftfeuchtigkeit
- generell die Gasgesetze und der Joule-Thomson-Effekt
- das mittlere Wetter und der Niederschlag
- die Albedo (Rückstrahl-Koeffizient) des Bodens und der Pflanzen (auch vom Niederschlag abhängig)
- fallweise Prozesse der Kondensation und der Resublimation
Abkühlungsvorgänge in der Natur
In natürlichen Systemen sind die wirksamsten Formen der Abkühlung
- die nächtliche Abkühlung durch Abstrahlung,
- die Advektion (Kontakt zu kälteren Gegenständen)
- die Abkühlung durch Verdunstung (Entzug der Verdunstungswärme)
- und die Ventilation (Wind, Bewegung).
Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Körpers oder Gegenstandes sinkt, hängt ab
- von den äußeren Gegebenheiten (wirksame Temperaturdifferenz, Luftfeuchtigkeit, Strahlungsverhältnisse, Wind, Reibung usw.)
- sowie den thermischen Eigenschaften des Körpers oder Fluids (spezifische Wärme, Oberflächenbeschaffenheit, Porosität usw.),
- und seiner allfälligen Isolation (Boden, Verwitterungs- oder Baumrinde, Fell, Federkleid).
Nächtliche Abkühlung
In der Nacht sinkt die Lufttemperatur i. a. um einige Grad, in extremen Klimaten – etwa in den Polargebieten oder auch in tropischen Hochgebirgsklimaten – um bis zu 30 °C. Die Ursache hierfür ist die Abstrahlung (Infrarot- oder Wärmestrahlung) des erwärmten Bodens, die besonders bei klarem Himmel wirksam ist. Der tagsüber durch die Sonnenstrahlung erwärmte und am frühen Nachmittag einem thermischen Gleichgewicht zustrebende Boden kühlt sich im Regelfall zwar langsamer als die Luft ab, jedoch rascher als Gewässer. Dadurch kommt es zu thermischen Inversionen bzw. zur Entstehung von lokalen Windsystemen, die den Tagwinden annähernd entgegengesetzt sind (siehe Land-See-Windsystem in der Nähe von Meeresküsten).
Die nächtliche Abkühlung lässt schlagartig nach oder kehrt sich sogar um, wenn am Nachthimmel Wolken aufziehen oder der Taupunkt erreicht ist. Im ersten Fall verringert sich die Abstrahlung, weil die Bewölkung isolierend wirkt; im zweiten Fall wird der Luft die Kondensationsenthalpie der Nebeltröpfchen zugeführt.
Der Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperatur wird üblicherweise durch eine Temperaturkurve oder durch Angabe von Maximal- und Minimaltemperatur erfasst. Das Temperaturmaximum tritt in Mitteleuropa um ungefähr 14 Uhr MEZ (bzw. 15 Uhr Sommerzeit) auf, das Temperaturminimum meist kurz vor Sonnenaufgang (siehe auch Morgentau).
Während der Temperaturverlauf in Bodennähe die erwähnte Amplitude von einigen Grad bis Zehnergrad aufweist, ist die Bodentemperatur schon in einer Tiefe von einigen Zentimetern bereits merklich ausgeglichener. In 1 Meter Tiefe (siehe auch Frosttiefe) oder in Höhlen kann die tägliche, aber auch die jahreszeitliche Temperaturänderung weitgehend verschwinden, was von den Bodeneigenschaften und der Geologie, dem Bewuchs, dem Wassergehalt und dem Klimaverlauf abhängt.
Bei besonderen Wetterlagen kann der Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperatur fast null sein, bei Durchzug einer Warmfront sich sogar umkehren. Ein Beispiel einer unüblichen Wetterlage mit außergewöhnlich geringer nächtlicher Abkühlung zeigt die nebenstehende Abbildung.
Abkühlung durch technische Maßnahmen
In der Technik wird die geplante Abkühlung als Kühlung bezeichnet. Sie kann z. B.
- zur Herstellung eines Zustands von thermischem Gleichgewicht dienen,
- zum Abführen von Reibungs- oder Verlustwärme an bewegten oder sonst wie erwärmten Bauteilen,
- und insbesondere zur Vermeidung von Überhitzung erfolgen.
- Abkühlung kann durch Temperaturmessung festgestellt, durch Thermostaten bzw. Heizung egalisiert oder ihre Wirkung durch Kalibrierung modelliert werden. Konservierungszwecke bei Biomaterial.
- beim Schmelzschleudern werden die höchsten Abkühlraten erreicht ()
- bei der passiven Abstrahlungskühlung wird Solarenergie mittels Spezialfolien reflektiert bzw. in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt und zum Teil durch das atmosphärische Fenster ins Weltall abgestrahlt.
Siehe auch
- Wärmeströmung, Wasser-, Luftkühlung
- Kühlkörper (technisch und biologisch), Abkühlungsgröße
- Gefriervermögen, Erstarrung, Gießbarkeit
- Astronomische Refraktion, Vertikalgradient
- Wärmepumpe, Kältemaschine
- Unterkühlung
Belege
- Bioinspiriert: „Coole“ Folie entwickelt, wissenschaft.de, 15. Juni 2020
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Dieser Artikel behandelt den physikalischen Effekt des Abkuhlens Zur Abkuhlung im Sinne des Abklingens heftiger Emotionen und seelischer Spannungen siehe Chillen Als Abkuhlung werden Vorgange bezeichnet bei denen ein Gegenstand oder ein System von Gegenstanden Thermische Energie verliert Der Vorgang kann in allen Aggregatzustanden eines Objektes stattfinden Die Materie kuhlt sich exponentiell ab wenn die Umgebungstemperatur geringer ist als die Temperatur der Materie Ist die Temperatur grosser handelt es sich um eine Erwarmung Die Umgebungstemperatur kann auch eine Warmestrahlung darstellen Theorie Thermodynamik Bei Feststoffen und Flussigkeiten verlauft die Warmeubertragung bzw der Entzug der Warme entsprechend dem Temperaturgradienten Dabei wirken drei Prozesse in unterschiedlichem Ausmass Warmeleitung vorwiegend bei Feststoffen und Flussigkeiten Warmestrahlung meist schwacher in der Natur vor allem Sonneneinstrahlung und nachtliche Abstrahlung Ad bzw Konvektion Das Ergebnis dieser Prozesse ist ein Temperaturausgleich siehe 3 Satz der Thermodynamik Er resultiert immer in einer Erhohung der gesamten Entropie d h einer Umwandlung verschiedener Energieformen in thermische Energie In einem abgeschlossenen System ist daher eine durchgangige Ab kuhlung unmoglich Die thermische Energie eines nach aussen isolierten Systems kann nur steigen aber nicht sinken Im technischen Bereich kann z B ein Kuhlschrank nur seinen Innenraum kuhlen wahrend die Durchschnittstemperatur des gesamten Raumes steigt Weitere Einflussgrossen bei Erwarmungs oder Abkuhlungsprozessen sind die Konvektion bei Festkorpern Null bei Gasen meist hoch bei Flussigkeiten im mittleren Bereich der Warmeleitkoeffizient und die Warmekapazitat die adiabatische Abkuhlung beispielsweise in der Erdatmosphare bei Ab und Aufwinden der mittlere Temperaturgradient der Atmosphare durchschnittlich 5 7 C pro Kilometer und die Luftfeuchtigkeit generell die Gasgesetze und der Joule Thomson Effekt das mittlere Wetter und der Niederschlag die Albedo Ruckstrahl Koeffizient des Bodens und der Pflanzen auch vom Niederschlag abhangig fallweise Prozesse der Kondensation und der ResublimationAbkuhlungsvorgange in der NaturIn naturlichen Systemen sind die wirksamsten Formen der Abkuhlung die nachtliche Abkuhlung durch Abstrahlung die Advektion Kontakt zu kalteren Gegenstanden die Abkuhlung durch Verdunstung Entzug der Verdunstungswarme und die Ventilation Wind Bewegung Die Geschwindigkeit mit der die Temperatur des Korpers oder Gegenstandes sinkt hangt ab von den ausseren Gegebenheiten wirksame Temperaturdifferenz Luftfeuchtigkeit Strahlungsverhaltnisse Wind Reibung usw sowie den thermischen Eigenschaften des Korpers oder Fluids spezifische Warme Oberflachenbeschaffenheit Porositat usw und seiner allfalligen Isolation Boden Verwitterungs oder Baumrinde Fell Federkleid Nachtliche Abkuhlung In der Nacht sinkt die Lufttemperatur i a um einige Grad in extremen Klimaten etwa in den Polargebieten oder auch in tropischen Hochgebirgsklimaten um bis zu 30 C Die Ursache hierfur ist die Abstrahlung Infrarot oder Warmestrahlung des erwarmten Bodens die besonders bei klarem Himmel wirksam ist Der tagsuber durch die Sonnenstrahlung erwarmte und am fruhen Nachmittag einem thermischen Gleichgewicht zustrebende Boden kuhlt sich im Regelfall zwar langsamer als die Luft ab jedoch rascher als Gewasser Dadurch kommt es zu thermischen Inversionen bzw zur Entstehung von lokalen Windsystemen die den Tagwinden annahernd entgegengesetzt sind siehe Land See Windsystem in der Nahe von Meereskusten Die nachtliche Abkuhlung lasst schlagartig nach oder kehrt sich sogar um wenn am Nachthimmel Wolken aufziehen oder der Taupunkt erreicht ist Im ersten Fall verringert sich die Abstrahlung weil die Bewolkung isolierend wirkt im zweiten Fall wird der Luft die Kondensationsenthalpie der Nebeltropfchen zugefuhrt Der Unterschied zwischen Tages und Nachttemperatur wird ublicherweise durch eine Temperaturkurve oder durch Angabe von Maximal und Minimaltemperatur erfasst Das Temperaturmaximum tritt in Mitteleuropa um ungefahr 14 Uhr MEZ bzw 15 Uhr Sommerzeit auf das Temperaturminimum meist kurz vor Sonnenaufgang siehe auch Morgentau Temperaturextreme im Spatsommer 2006 Wahrend der Temperaturverlauf in Bodennahe die erwahnte Amplitude von einigen Grad bis Zehnergrad aufweist ist die Bodentemperatur schon in einer Tiefe von einigen Zentimetern bereits merklich ausgeglichener In 1 Meter Tiefe siehe auch Frosttiefe oder in Hohlen kann die tagliche aber auch die jahreszeitliche Temperaturanderung weitgehend verschwinden was von den Bodeneigenschaften und der Geologie dem Bewuchs dem Wassergehalt und dem Klimaverlauf abhangt Bei besonderen Wetterlagen kann der Unterschied zwischen Tages und Nachttemperatur fast null sein bei Durchzug einer Warmfront sich sogar umkehren Ein Beispiel einer unublichen Wetterlage mit aussergewohnlich geringer nachtlicher Abkuhlung zeigt die nebenstehende Abbildung Abkuhlung durch technische MassnahmenIn der Technik wird die geplante Abkuhlung als Kuhlung bezeichnet Sie kann z B zur Herstellung eines Zustands von thermischem Gleichgewicht dienen zum Abfuhren von Reibungs oder Verlustwarme an bewegten oder sonst wie erwarmten Bauteilen und insbesondere zur Vermeidung von Uberhitzung erfolgen Abkuhlung kann durch Temperaturmessung festgestellt durch Thermostaten bzw Heizung egalisiert oder ihre Wirkung durch Kalibrierung modelliert werden Konservierungszwecke bei Biomaterial beim Schmelzschleudern werden die hochsten Abkuhlraten erreicht 107K s displaystyle approx 10 7 K s bei der passiven Abstrahlungskuhlung wird Solarenergie mittels Spezialfolien reflektiert bzw in langwellige Warmestrahlung umgewandelt und zum Teil durch das atmospharische Fenster ins Weltall abgestrahlt Siehe auchWarmestromung Wasser Luftkuhlung Kuhlkorper technisch und biologisch Abkuhlungsgrosse Gefriervermogen Erstarrung Giessbarkeit Astronomische Refraktion Vertikalgradient Warmepumpe Kaltemaschine UnterkuhlungBelegeBioinspiriert Coole Folie entwickelt wissenschaft de 15 Juni 2020Normdaten Sachbegriff GND 4279871 1 GND Explorer lobid OGND AKS