Gedankenexperiment: Wärmeverteilung

[Rainer U. (r-u)]

Nehmen wir mal ein 18mm Kupferrohr an, das 1,50 lang ist. Es steckt in 
einem Schacht aus Betonringen (Durchmesser 80cm, 1m tief), der mit einer 
Metallplatte oben abgedeckt ist. Die Metallplatte ist auf Höhe des 
Erdbodens, das Rohr geht durch die Metallplatte durch. Der schacht ist 
unten offen und immer halb voll Grundwasser.

Nun nehmen wir mal an, dass es draußen kalt wird (-15 Grad). Was tut das 
Rohr, bzw. wie wird sich die Wärme verteilen? Wird es die Kälte in den 
Schacht leiten, und das Grundwasser im Schacht gefrieren lassen? Oder 
wird das Grundwasser das Rohr wärmen, so dass es an der Metallplatte 
wärmer ist?

Luft, -15 °C

      X Rohr
      X
      X
      X
----+-X--------+----- Metallplatte / Erdboden
    | X        |
    | X Luft   |
    | X        |
   ~~~X~~~~~~~~~~  Grundwasserspiegel, 1-4 °C
    | X        |
    | X Wasser |
    | X        |

[Frank D. (Firma: Spezialeinheit) (feuerstein7)]

Energie hat immer das Bestreben vom reichen zum energiearmen Zustand zu 
gehen. Daher geht die Wärme des Wassers nach oben. Ob das Wasser 
gefriert hängt davon ab wieviel Energie vom Erdreich zugeführt wird.

[Jo O. (brause1)]

Rainer Unsinn schrieb:
> Nun nehmen wir mal an, dass es draußen kalt wird (-15 Grad). Was tut das
> Rohr, bzw. wie wird sich die Wärme verteilen? Wird es die Kälte in den
> Schacht leiten, und das Grundwasser im Schacht gefrieren lassen? Oder
> wird das Grundwasser das Rohr wärmen, so dass es an der Metallplatte
> wärmer ist?

Probiers doch aus:

Nimm ein Kupfergefäß und fülle es zur Hälfte mit heißem Wasser. Wird der 
Rand oben heiß?

dann nimm ein Kupfergefäß und fülle es zur Hälfte mit kaltem Wasser. 
Wird der Rand oben kalt?

Kupfer leitet die Wärme extrem gut. (Viel besser als ein Kaffeelöffel).
Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist immer noch zigmal so gut wie die 
von Luft.
Der Wärmeübergangswiderstand vom Wasser zum Kupfer ist zigmal kleiner 
als der von Luft zu Kupfer.

Wenn die Luft nicht bewegt wird, ist sie doch fast ein Isolator für die 
Temperatur.


Ich tippe mal, dein Kupferrohr richtet sich in erster Näherung nach der 
Wassertemperatur. Egal ob das Wasser heißer oder kälter ist als die 
Luft.


edit:
Das Gefäß füllst du besser nur zu einem drittel, dann bist du näher an 
deiner Zeichnung

[Robert L. (lrlr)]

>Kälte in den
>Schacht leiten,

man betrachtet normalerweise die "WÄRME" die man leitet...

eigentlich ganz einfach:
das kupferrohr leitet die wärme ab
gleichzeitig bezieht das grundwasse aber wärme aus dem erdreich

was in der praxis passiert, wird hauptsächlich  davon abhängen, ob sich 
das Grundwasser bewegt, oder nicht.

die frage ist wohl auch nicht nur OB es gefriert, sondern wie viel..

[Rainer U. (r-u)]

Also das Grundwasser bewegt sich nicht. "Wärmeübergangswiderstand" ist 
ein interessantes Stichwort. Und die Luft bewegt sich schon, also so, 
wie es ist, wenn Du im Winter draußen bist - mal mehr, mal weniger. 
Winterwetter halt.

[P. M. (o-o)]

Das Wasser wird das Rohr erwärmen. Die Wärme breitet sich durch das Rohr 
aus und das Rohr erwärmt schliesslich auch die Luft. Dabei geht also 
Energie vom Wasser via Rohr in die Luft. Das die Energie abgeleitet 
wird, kühlen sich sowohl Rohr wie Wasser immer mehr ab.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Robert L. schrieb:
> man betrachtet normalerweise die "WÄRME" die man leitet...

Wenn schon, dann richtig: Man betrachtet den Entropiestrom.

[Mathias K. (mathk)]

Rainer Unsinn schrieb:
> Nun nehmen wir mal an, dass es draußen kalt wird (-15 Grad). Was tut das
> Rohr, bzw. wie wird sich die Wärme verteilen? Wird es die Kälte in den
> Schacht leiten, und das Grundwasser im Schacht gefrieren lassen? Oder
> wird das Grundwasser das Rohr wärmen, so dass es an der Metallplatte
> wärmer ist?

Der Erdkern wird einfrieren und die Erdrotation kommt zum Stillstand, 
ganz klar ;-).

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Ein praktisches Beispiel wäre z.B. das Streifen- bzw. Ringfundament 
unter der Bodenplatte eines Hauses. Auf der Seite wird es erwähnt:

http://www.pfalzonline.de/selber-bauen/fundament.htm


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