Warum wird beim Umrühren einer heißen Flüssigkeit (Tee) die Flüssigkeit kälter obwohl man dem System kinetische Energie zuführt?
Nach dem Energieerhaltungssatz müsste die kinetische Energie doch in Wärme umgewandelt werden, da Bewegung gleich Wärme ist. Abgesehen von den Umwelteinflüssen.
Also wenn man ein geschlossenes System betrachtet ohne die Umgebung und dann rührt würde man ja bestimmt auch diesen Effekt beobachten, dass die Flüssigkeit kälter wird?
8 Antworten
Der Tee gibt einen großen Teil der Wärme über die Oberfläche ab. Die Höhe des Wärmestroms ist dabei immer von der Temperaturdifferenz abhängig. Wenn man es genau untersucht wird sich vom Inneren der Teetasse ein relativ gleichmäßiges Temperaturgefälle zur Außentemperatur einstellen. Also sagen wir mal 60°C in der Mitte der Teetasse, 40°C an der Innenwand der Tasse, 30°C an der Außenwand und 22°C in der Umgebungsluft. Dazwischen wirst du Schichten mit allen Zischentemperaturen finden.
Zwischen den Einzelnen Temperaturschichten ist das Gefälle nicht besonders groß. Der Druck die Temperatur auszugleichen ist gering.
Rührst du jetzt um bringst du dich Schichtungen durcheinander. Der 60°C Tee trifft auf die 40°C der Tassenwand. Das Temperaturgefälle ist plötzlich, im Vergleich zum ruhenden System riesengroß. Der Wärmestrom von warm zu kalt steigt gewaltig.
An der Oberfläche passiert das Gleiche in ähnlicher Art und Weise.
Das Umrühren bringt zwar geringe Mengen Energie in die Tasse. Aber zuerst mal ist das Bewegungsenergie. Die muss erst durch die Reibung in Wärme umgewandelt werden. Der Betrag ist nicht sonderlich groß und in aller Regel geringer als die Verluste durch die Wärmeabgabe an die Umgebung. Das wirkt sich also nicht relevant aus.
Ich hoffe die Erklärung ist verständlich.
Es gibt übrigend die Möglichkeit das man die Temperatur mit kinetischer Energie merklich erhöht. Jeder gute Schmied kann kaltes Eisen nur mit dem Hammer zum Glühen bringen. Das ist aber eine ziemlich Kunst und eine elende Schinderei noch dazu.
Die kenetische Energie existiert in diesem Falle zwar, kann aber vernachlässigt werden. Ich rühre meinen Tee zwar nicht um, damit er kühler wird, aber ein Metalllöffel leitet Hitze auf jeden Fall ab.
Weil die Wandung der Tasse kühler ist.
Dein Tee gibt diese Wärme ab. Und wenn man rührt gibt auch der Tee im "inneren" des Bechers auch diese wärme ab und nicht nur der Teeteil der am Becherrand steht.
Ich hoffe du weißt was ich meine xD
Wenn es keine Wärmeübertragung an die Umwelt geben würde, würde sich die Temperatur der Flüssigkeit durch das Rühren erhöhen, da ja Reibungswärme entstehen würde und eben keine Wärmeübertragung möglich wäre.
Die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit unter realen Bedingungen kommt im Übrigen nicht durch das Vermischen der unterschiedlichen Temperaturniveaus in der Flüssigkeit, sondern durch die turbulente Strömung welche bei einer normalen Rührgeschwindigkeit in der Flüssigkeit entsteht.
Der Wärmeübergang von Flüssigkeiten steigt nämlich bei einer turbulenten Strömung. Dies ist z.B. einer der Gründe warum die Strömung in Heizkörpern turbulent und in Heizungsrohren laminar ausgelegt werden.
Wenn du also ausreichend langsam rührst, sollte keine schnellere Abkühlung der Flüssigkeit als ohne Rühren erfolgen (wenn alle anderen Bedingungen gleich sind).
Durch die Vermengung erzielt man eine höhere Wärmeabgabe über die Oberfläche und die Tassenwandung, da dadurch an diesen Stellen die Temperaturdifferenz höher wird und die Wärmeströmung nach außen zunimmt.
LG Culles