Warum werden Dinge nachgekuehlt?

Naja, einfaches Beispiel:
Du kochst Nudeln, das Wasser siedet du gibts die Nudeln rein und 
schaltest den Herd aus und gibst den Deckel auf den Topf, was passiert: 
Das Wasser kocht über weil der Herd noch weiter wärme abgibt, und diese 
muss abgeführt werden... (übertragbar auf einen Motor...)

Es gibt eben nicht nur thermische Widerstände, sondern auch Kapazitäten 
und Induktivitäten.

Lukas B. schrieb:
> Naja, einfaches Beispiel:
> Du kochst Nudeln, das Wasser siedet du gibts die Nudeln rein und
> schaltest den Herd aus und gibst den Deckel auf den Topf, was passiert:
> Das Wasser kocht über weil der Herd noch weiter wärme abgibt, und diese
> muss abgeführt werden... (übertragbar auf einen Motor...)

Wenn ich den Deckel auf den Topf setze, 'blockier' ich ja eine vorher 
vorhandene Kuehlung - verstehe ich richtig, dass du das mit dem 
Abschalten der Autokuehlung vergleichst?

Den Induktivitäten ist das noch am ehesten egal, weil die sehr hohe 
Temperaturen vertragen können. Ich finde es aber auch toll, wenn man 
alle Bauteile, die durch Temperatur altern, möglichst schnell wieder aus 
einem "unschönen" Bereich herausbringt.

Besonders bei silent-PCs wird das sonst zu einem Problem, wenn der 
Luftstrom beim Abschalten ausbleibt und der Wärmestau manche Teile noch 
stärker erwärmt, als sie evtl. luftgekühlt im Betrieb waren. Ich find 
Netzteile, die die Lüfter noch 1-2 Minuten weiterdrehen lassen gut.

Simon K. schrieb:
> Es gibt eben nicht nur thermische Widerstände, sondern auch Kapazitäten
> und Induktivitäten.

Versteh ich, aber kann ich mir noch nicht richtig vorstellen - kannst du 
ein konkretes Beispiel liefern?

Elektrolytkondensatoren (AKA Elkos) finden hohe Temperaturen 
ausgesprochen uncool.

David ... schrieb:
> Es wird aber keine Waerme mehr erzeugt, die
> Temperatur kann also nicht steigen, sondern faellt langsam.

Ich vermute, dass diese Annahme nicht stimmt. Die Temperatur ist so 
niedrig, WEIL bis zum Ausschalten durch die aktive Kühlung so viel Wärme 
weggeschafft wurde.

Nimm ein frisch gekochtes Ei, welches du unter dem Wasserhahn 
abschreckst. Wenn das Wasser drüberläuft kannst du das Ei locker mit der 
Hand festhalten.
Sobald du jedoch das Wasser abstellst wirst du feststellen, dass das Ei 
ziemlich schnell sehr unangenehm zu halten ist, weil es sehr heiß wird.

Durch das Abschalten der Kühlung kriegt also die nähere Umgebung der 
Wärmequelle nen ziemlichen Temperaturschock, die Temperatur STEIGT also.

Michael K-punkt schrieb:

> Nimm ein frisch gekochtes Ei, welches du unter dem Wasserhahn
> abschreckst. Wenn das Wasser drüberläuft kannst du das Ei locker mit der
> Hand festhalten.
> Sobald du jedoch das Wasser abstellst wirst du feststellen, dass das Ei
> ziemlich schnell sehr unangenehm zu halten ist, weil es sehr heiß wird.

Danke, das leuchtet mir ein :) Gut, meine Annahme war wohl falsch...

Ws gibt auch exotherme Vorgänge.

Zum Beispiel ist Kaffee exotherm und kann ab 150°C selbstständig ohne 
Wärmezufuhr anfangen zu brennen.

David ... schrieb:
> Macht das soviel aus? All die genannten
> Geraete laufen hunderte, tausende oder mehr Stunden bei der Temperatur
> und nach dem Ausschalten ist das auf einmal zu heiss? ;)

Du vergißt ganz daß Wasser bei 100 Grad anfängt zu kochen. Die 
Öltemperatur kann bei Vollast locker 130 Grad betragen.


Gruß Anja

Anja M. schrieb:
> David ... schrieb:
>> Macht das soviel aus? All die genannten
>> Geraete laufen hunderte, tausende oder mehr Stunden bei der Temperatur
>> und nach dem Ausschalten ist das auf einmal zu heiss? ;)
>
> Du vergißt ganz daß Wasser bei 100 Grad anfängt zu kochen. Die
> Öltemperatur kann bei Vollast locker 130 Grad betragen.

Auch ein Punkt, stimmt...

Ben _ schrieb:
> Elektrolytkondensatoren (AKA Elkos) finden hohe Temperaturen
> ausgesprochen uncool.

Äh nein, das habe ich nicht gemeint.

http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t

Anja M. schrieb:
> Du vergißt ganz daß Wasser bei 100 Grad anfängt zu kochen. Die
> Öltemperatur kann bei Vollast locker 130 Grad betragen.

Das Wasser im Auto kocht bei 100°C noch nicht!

> Du vergißt ganz daß Wasser bei 100 Grad anfängt zu kochen. Die
> Öltemperatur kann bei Vollast locker 130 Grad betragen.
Das kannste genauso schnell vergessen, der Kühlkreislauf beim Auto steht 
unter Druck. Deswegen fliegt Dir das kochende Wasser auch in die Fresse 
wenn Du bei heißem Motor den Kühlwasserbehälter aufschraubst.

Wenn du ein Kühlsystem abschaltest, auch wenn keine Energie 
nachgeliefert wird muss die aktuell vorhandene Wärme abtransportiert und 
an die Umgebung abgegeben werden. Weil der Wärmetransport ohne 
Kühlsystem wesendlich langsamer ist ensteht an der Wärmequelle ein 
Hotspot und das kann z.B. einem Kfz-Motorblock verziehen oder einen 
Prozessor killen.

Einen Prozessor killt das wohl eher nicht. Die thermische 
Leistungsabgabe entsteht bei einem Prozessor genau da wo's kritisch ist 
und wird direkt mit dem Abschalten des PCs beendet. Da der Kühler 
niemals so heiß ist wie der Prozessorkern - und deutlich größer - wird 
dieser die Restwärme des Kerns sehr schnell aufnehmen.

Beim Auto ist das vom Thema am meisten betroffene Teil wohl zweifelsohne 
der Turbolader. Den Wagen ein paar Ausfahrten über die Autobahn treten, 
dann direkt vom Gas und 30 Sekunden später im Rasthof den Motor 
abzustellen ist wohl die einfachste Möglichkeit, das Ding zu töten. Mit 
dem Abstellen des Motors kommt der kühlende Ölkreislauf zum Erliegen und 
damit verbrennt das Öl in dem mitunter noch rotglühend heißen Teil. Die 
Rückstände davon anstelle der Schmierwirkung sind dann der Tod für 
Wellenlager und Dichtringe.

Simon K. schrieb:
> Es gibt eben nicht nur thermische Widerstände, sondern auch Kapazitäten
> und Induktivitäten.

Thermische Widerstände und Kapazitäten kennen wohl die Meisten. Von 
thermischen Induktivitäten habe ich noch nie etwas gehört. Kannst du 
Beispiele geben?

Michael K-punkt schrieb:
> Nimm ein frisch gekochtes Ei, welches du unter dem Wasserhahn
> abschreckst. Wenn das Wasser drüberläuft kannst du das Ei locker mit der
> Hand festhalten.
> Sobald du jedoch das Wasser abstellst wirst du feststellen, dass das Ei
> ziemlich schnell sehr unangenehm zu halten ist, weil es sehr heiß wird.

Das ist eine sehr gute Erklärung, die man leicht nachvollziehen und wo
man am eigenen Leib verspüren kann, was Wärmekapazität und Wärmewider-
stand bedeuten.

Weil ich besser elektrisch als thermisch denken kann, transferiere ich
solche und ähnliche Problemstellungen gerne auch in eine elektrische
Schaltung.

Jede thermische Größe oder Komponente hat ein elektrisches Pendant. Hier
sind die wichtigsten zusammengefasst:

  thermisch                elektrisch

  Temperatur               Spannung
  Wärmeleistung            Strom
  Wärmequelle              Stromquelle
  Wärmespeicher            Kondensator
  Wärmekapazität           Kapazität
  Wärmewiderstand          Widerstand
  direkte Wärmekopplung    Leitung

Das Ei ist ein Wärmespeicher (Kondensator), der beim Kochen auf eine
gewissen Temperatur (Spannung) aufgeladen wird. Es hat einen internen
Wärmewiderstand. Diesem in Reihe geschaltet ist der Wärmewiderstand des
fließenden Wassers. Beide Widerstände bilden einen "Temperaturteiler"
(Spannungsteiler). Weil der Wärmewiderstand des Wasserstrahls sehr viel
geringer als der des Eis ist, ist die Temperatur (Spannung) am Knoten-
punkt niedrig. Anders verhält es sich, wenn man das Ei ohne fließendes
Wasser direkt mit der Hand anfasst. Die Hand hat einen hohen Wärmewider-
stand, so dass die Temperatur (Spannungsabfall) entsprechend höher ist.
Und das, obwohl dem Ei keine neue Energie zugeführt wird.


Solche Wärmeflüsse kann man auch schön in Spice simulieren. Ich habe mal
ein Beispiel angehängt. Die Ströme und Spannungen sind so skaliert, dass
1 V der Temperatur 1 °C, 1 A der Wärmeleistung 1 W, 1 Ω dem Wärmewider-
stand 1 K/W und 1 F der Wärmekapazität 1 J/K entspricht.

Links im Bild ist eine Wärmequelle mit 100 W, einer internen Wärmekapa-
zität von 10 J/K und einem Wärmewiderstand von 0,2 K/W zu sehen. Sie ist
über einen Wärmewiderstand von 0,5 K/W an die Kühlung angekoppelt, die
aus einer schwachen passiven Kühlung (Rth-passiv) und einem zuschaltba-
ren Lüfter (Rth_Lüfter) besteht. Die Wärme, die nicht durch das Kühl-
system abgeführt wird, muss über die Gehäusewand nach außen gelangen.
Auch dieses hat eine Wärmekapazität (Cth-Gehäuse) und jeweils einen
Wärmewiderstand nach innen und nach außen (Rth-Geh1 und Rth-Geh2). Alle
Wärme gelangt letztendlich in die Umgebung, deren Temperatur 25 °C
beträgt.

Das Gehäuse sei aus Kunststoff und deswegen temperaturempfindlich. Die
Temperatur wird deswegen an der Gehäuseinnenseite (Temp-Geh1a) und im
Innern der Gehäusewand (Temp_Geh1b) gemessen.

Zu Beginn ist das System ausgeschaltet und alle Komponenten liegen auf
der Umgebungstemperatur von 25 °C. Nach 100 s wird die Wärmequelle
zusammen mit dem Lüfter für 400 s eingeschaltet. Die Temperaturen im
Kern der Wärmequelle steigt dabei auf 114°C (nicht im Diagramm darge-
stellt), am Gehäuse verbleiben noch 44 °C bzw. 35 °C.

Zum Zeitpunkt 500 s wird die Wärmequelle ausgeschaltet. Der Lüfter wird
ebenfalls ausgeschaltet (grüne Kurven) oder eingeschaltet gelassen (rote
Kurven).

Läuft der Lüfter weiter, fallen die Temperaturen genauso schnell wieder
auf die Umgebungstemperatur, wie sie anfangs beim Einschalten auf die
Maximaltemperatur gestiegen sind. Wird der Lüfter hingegen ausgeschal-
tet, steigt die Temperatur an der Innenseite schnell auf 101 °C, und
selbst im Innern der Gehäusewand sind noch 52 °C zu messen. Durch die
fehlende aktive Kühlung fallen diese Temperaturen auch nur langsam.

Das Ganze ist natürlich vereinfacht dargestellt. Für eine bessere Model-
lierung müsste man bspw. an mehreren Stellen zusätzliche Wärmekapazitä-
ten vorsehen, was die Sache aber unübersichtlich gemacht hätte.


Alexander Schmidt schrieb:
> Von thermischen Induktivitäten habe ich noch nie etwas gehört. Kannst
> du Beispiele geben?

Das würde mich auch interessieren.

Alexander Schmidt schrieb:
> Simon K. schrieb:
>> Es gibt eben nicht nur thermische Widerstände, sondern auch Kapazitäten
>> und Induktivitäten.
>
> Thermische Widerstände und Kapazitäten kennen wohl die Meisten. Von
> thermischen Induktivitäten habe ich noch nie etwas gehört. Kannst du
> Beispiele geben?

Hmm leider nicht. War wohl ein Schnellschuss meinerseits. Wie siehts aus 
mit einem thermischen Memristor? ;-)

Danke an Yalu. Das erinnert mich an ein Praktikum vor ein paar Jahren an 
der FH. Sehr, sehr interessant sowas. In vielen Bauteilen ist sogar im 
Datenblatt ein thermisches Ersatzschaldbild mit Widerständen und 
Kondensatoren angegeben.

Danke an Yalu für die hervorragende Erklärung und das anschauliche 
Spice-Modell.
Auch die Gegenüberstellung von thermischen und elektrischen Bauteilen 
dürfte für einige neu sein und ist gut gelungen.

muss der strom nicht als enthalpiestrom (und nicht als wärmestrom) 
betrachtet werden, da sonst die spannung im Kondensator mit E=U²*C/2 
nicht dem Modell E=T*C entspricht?

sg Clemens

Clemens S. schrieb:
> muss der strom nicht als enthalpiestrom (und nicht als wärmestrom)
> betrachtet werden, da sonst die spannung im Kondensator mit E=U²*C/2
> nicht dem Modell E=T*C entspricht?

Ich hätte in die obige Vergleichsliste noch eine weitere Größe aufnehmen
sollen, nämlich die Wärmeenergie. Hiermit sei's getan:

>   thermisch                elektrisch
>
>   Temperatur               Spannung
>   Wärmeleistung            Strom
>   Wärmequelle              Stromquelle
>   Wärmespeicher            Kondensator
>   Wärmekapazität           Kapazität
>   Wärmewiderstand          Widerstand
>   direkte Wärmekopplung    Leitung

    Wärmeenergie             Ladung

Also:

    E = T·Cth                Q = U·C

Da die Temperatur der Spannung entspricht und die Wärmekapazität der
elektrischen Kapazität, wird die Sache wieder rund.

Die elektrische Energie und Leistung haben IMHO auf thermischer Seite
keinen bedeutungsvollen Gegenpart.

danke, jetzt hats klick gemacht.

Alles wo keine ( reaktive ) Chemie drin ist, braucht nicht nachgekühlt 
werden.

Im Betrieb hat z.B. ein Prozessorkern die max. Temperatur. Wenn kein 
Strom mehr kommt wird er ab diesem Zeitpunkt nur noch kühler.
Wie lange das dauert ist doch egal, denn er war vorher ja auch 
Stundenlang auf Tmax.

Ich kühle meinen Toaster ja auch nicht aktiv nach, wenn das Frühstück 
vorbei ist...

Stefan M. schrieb:
> Alles wo keine ( reaktive ) Chemie drin ist, braucht nicht nachgekühlt
> werden.

Ist in einem Turbolader etwa reaktive Chemie drin?

Das ist völliger Schmarrn, wie du ein paar Posts über dir eindrucksvoll 
simuliert sehen kannst.

Stefan M. schrieb:
> Im Betrieb hat z.B. ein Prozessorkern die max. Temperatur. Wenn kein
> Strom mehr kommt wird er ab diesem Zeitpunkt nur noch kühler.

Die Temperatur der Wärmequelle selbst steigt nicht, aber diejenige
anderer Komponenten evtl. schon.

Hallo Yalu,

Sehr schöne Beschreibung. Wäre das nicht etwas für das Wiki?

Würde Deiner Ansicht nach die Induktivität in der Vergleichsliste auch 
noch Sinn machen?

Jetzt fehlen eigentlich nur noch thermische Transistoren. Man könnte 
dann zum Beispiel einen thermischen Audioverstärker aufbauen. ;)

lg

Jonny Obivan schrieb:
> Jetzt fehlen eigentlich nur noch thermische Transistoren.

Gibts an jedem Heizkörper.