Was ist Wärmeaufnahme – Definition

Aufnahme in fühlbare Wärme

Der direkteste Weg ist die Speicherung von fühlbarer Wärme . Ein vernünftiger Wärmespeicher basiert darauf, die Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs zu erhöhen , um Wärme zu speichern, und diese bei Bedarf mit sinkender Temperatur abzugeben. Die Mengen, die benötigt werden, um Energie in dem Umfang zu speichern, den die Welt benötigt, sind extrem groß. Materialien, die zur Speicherung sensibler Wärme verwendet werden, müssen eine hohe Wärmekapazität und einen hohen Siede- oder Schmelzpunkt aufweisen. Obwohl dieses Verfahren zur Wärmespeicherung derzeit für die Wärmespeicherung weniger effizient ist, ist es im Vergleich zu latenter oder chemischer Wärme am wenigsten kompliziert und kostengünstig.

Aus thermodynamischer Sicht basiert die Speicherung von fühlbarer Wärme auf der Erhöhung der Enthalpie des Materials im Speicher, in den meisten Fällen entweder einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs. Der sinnvolle Effekt ist eine Temperaturänderung. Die gespeicherte Wärme kann durch die folgende Gleichung erhalten werden:

Absorption in latenter Wärme

Ein üblicher Ansatz zur Speicherung von Wärmeenergie ist die Verwendung von Materialien, die als Phasenwechselmaterialien (PCMs) bekannt sind. Diese Materialien speichern Wärme, wenn sie eine Phasenänderung erfahren , beispielsweise von fest zu flüssig, von flüssig zu gasförmig oder von fest zu fest (Änderung einer kristallinen Form in eine andere ohne physikalische Phasenänderung).

Der Phasenwechsel „ Fest-Flüssig “ wird am häufigsten verwendet, aber auch der Wechsel von Feststoff zu Feststoff ist von Interesse. Diese Materialien können als effektive Methode zur Speicherung von Wärmeenergie (Sonnenenergie, Strom außerhalb der Spitzenzeiten, industrielle Abwärme) verwendet werden. Im Vergleich zu sensiblen Wärmespeichersystemen hat der Latentwärmespeicher die Vorteile einer hohen Speicherdichte (aufgrund der hohen latenten Schmelzwärme ) und der isothermen Natur des Speicherprozesses. Die Schmelzwärme oder die Verdampfungswärme ist viel größer als die spezifische Wärmekapazität. Der Vergleich zwischen Latentwärmespeicher und sensibler Wärmespeicherung zeigt, dass bei Latentwärmespeichern die Speicherdichten typischerweise 5 bis 10 mal höher sind.

Im Allgemeinen sind latente Wärmeeffekte, die mit der Phasenänderung verbunden sind, signifikant. Latente Wärme , auch als Verdampfungsenthalpie (Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf) oder Schmelzenthalpie (Phasenwechsel von Fest zu Flüssig) bekannt, ist die Wärmemenge, die einer Substanz zugesetzt oder von ihr entfernt wird, um eine Änderung zu bewirken Phase. Diese Energie baut die intermolekularen Anziehungskräfte auf und muss auch die Energie liefern, die zur Expansion der Substanz erforderlich ist (die pΔV-Arbeit ). Wenn latente Wärme hinzugefügt wird, tritt keine Temperaturänderung auf.

Absorption in chemischer Energie

Einer von drei möglichen Ansätzen zur Speicherung von Wärmeenergie ist die Verwendung reversibler thermochemischer Reaktionen . Der wichtigste Vorteil der thermochemischen Speichermethode besteht darin, dass die Reaktionsenthalpie erheblich größer ist als die spezifische Wärme oder die Schmelzwärme. Daher ist die Speicherdichte viel besser. Bei chemischen Reaktionen wird Energie in den chemischen Bindungen zwischen den Atomen gespeichert , aus denen die Moleküle bestehen. Energiespeicherauf atomarer Ebene schließt Energie ein, die mit Elektronenorbitalzuständen verbunden ist. Unabhängig davon, ob eine chemische Reaktion Energie absorbiert oder freisetzt, ändert sich die Energiemenge während der Reaktion insgesamt nicht. Das liegt am Energieerhaltungsgesetz , das besagt:

Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden . Während einer chemischen Reaktion kann sich die Form der Energie ändern .

Ein Beispiel für ein experimentelles Speichersystem, das auf chemischer Reaktionsenergie basiert, ist die Salzhydrat-Technologie . Das System ist besonders vorteilhaft für die saisonale Speicherung von Wärmeenergie . Das System nutzt die Reaktionsenergie, die entsteht, wenn Salze hydratisiert oder dehydriert werden. Es speichert Wärme in einem Behälter, der 50% ige Natriumhydroxidlösung (NaOH) enthält. Wärme (z. B. durch Verwendung eines Sonnenkollektors) wird durch Verdampfen des Wassers in einer endothermen Reaktion gespeichert. Bei erneuter Zugabe von Wasser wird bei einer exothermen Reaktion bei 50 ° C Wärme freigesetzt. Gegenwärtige Systeme arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 60%.

Strahlungswärmeabsorption

In den vorhergehenden Kapiteln haben wir Konvektion  und  Wärmeleitung erörtert  , die das Vorhandensein von Materie als Medium erfordern, um die Wärme vom heißeren in den kälteren Bereich zu transportieren. Eine dritte Art der Wärmeübertragung, die  Strahlungswärmeübertragung , erfolgt jedoch überhaupt ohne Medium. Im Allgemeinen ist die  Strahlungswärmeübertragung von einer Oberfläche zur anderen die Strahlung, die die erste Oberfläche für die andere verlässt, abzüglich derjenigen, die von der zweiten Oberfläche kommt. Strahlungswärmeübertragung  wird durch vermittelt  elektromagnetische Strahlung , bekannt als  thermische Strahlung , die aufgrund der entsteht  Temperatur  eines Körpers.

Eine weitere wichtige Strahlungseigenschaft einer Oberfläche ist ihre  Absorptionsfähigkeit ,  α , der der Anteil der Strahlungsenergie , die auf einer Oberfläche ist , die von der Oberfläche absorbiert wird. Der Wert des Absorptionsvermögens liegt ebenso wie der Emissionsgrad im Bereich von 0 <α <1.

 Nach seiner Definition absorbiert ein schwarzer Körper, der ein idealisierter physischer Körper ist, alle einfallende  elektromagnetische Strahlung , unabhängig von Frequenz oder Einfallswinkel. Das heißt, ein schwarzer Körper ist ein perfekter Absorber. Da für reale Objekte das  Absorptionsvermögen  kleiner als eins ist, kann ein reales Objekt nicht das gesamte einfallende Licht absorbieren. Die unvollständige Absorption kann darauf zurückzuführen sein, dass ein Teil des einfallenden Lichts durch den Körper übertragen wird oder ein Teil an der Oberfläche des Körpers reflektiert wird.

Im Allgemeinen sind das  Absorptionsvermögen  und das  Emissionsvermögen  durch das  Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung miteinander verbunden , das besagt:

Für einen beliebigen Körper, der Wärmestrahlung im thermodynamischen Gleichgewicht emittiert und absorbiert, ist das Emissionsvermögen gleich dem Absorptionsvermögen.

Emissionsgrad ε = Absorptionsvermögen α

Beachten Sie, dass sichtbare Strahlung ein sehr schmales Band des Spektrums von 0,4 bis 0,76 nm einnimmt. Wir können aufgrund visueller Beobachtungen keine Beurteilung der Schwärze einer Oberfläche vornehmen. Betrachten Sie beispielsweise weißes Papier, das sichtbares Licht reflektiert und somit weiß erscheint. Andererseits ist es für Infrarotstrahlung im Wesentlichen schwarz ( Absorptionsvermögen α = 0,94 ), da sie langwellige Strahlung stark absorbieren.