Wie hängen Temperatur und Druck zusammen, wenn ein Reifen auf dem Boden rollt?

Versuchen Sie nicht, Gasgesetze auf Eiskristalle anzuwenden - dafür war es nicht gedacht und es funktioniert nicht.

Denken Sie stattdessen daran, einen Schneeball zu machen. Wenn Sie versuchen, das Eis herunterzudrücken, wird es klebriger, aber wenn Sie mit wirklich "trockenem" Schnee beginnen, können Sie keinen guten Schneeball bekommen. Der Grund dafür ist, dass es viel Energie braucht, um auch nur ein bisschen Schnee vorübergehend zu schmelzen – lange genug, um Wasser zu erzeugen, das dann wieder gefriert und den Schnee zusammenkleben und zu Eis werden lässt.

Denken Sie jetzt an den Schnee unter einem Reifen. Wenn der Schnee anfangs flaumig ist, wird er vom Auto verdichtet. Wenn es kompakt wird, verursacht die Reibungskraft zwischen den Kristallen eine lokale Erwärmung. Da Ihr Auto viel Druck erzeugt, gibt es genug Reibung im Schnee, um eine echte Erwärmung und ein Schmelzen zu verursachen.

Ob dies geschieht oder nicht, hängt von der Beschaffenheit des Schnees ab - und von der Form des Reifens und dem Gewicht des Autos. Aber die Tatsache, dass Sie es beobachten, sagt mir, dass es eine Kombination von Bedingungen gibt, unter denen der Schnee schmilzt - und die einzige Möglichkeit, die dafür benötigte Energie zu liefern, die Reibung / Kompression des Schnees ist.

Beachten Sie, dass sich die Reifen selbst auch ein wenig erwärmen - auf Schnee erwärmen sie sich jedoch nur sehr wenig, da der Hauptheizmechanismus in einem rollenden Reifen auf die Nichtübereinstimmung des Bereichs zwischen dem Reifen "in der Luft" und dem Reifen "berührt" zurückzuführen ist den Boden" (siehe zum Beispiel diese Antwort). Wenn die Straßenoberfläche rutschig ist, ist dieser Mechanismus weniger effektiv; Stattdessen ist die Reibung, die der Reifen erfährt, genau darauf zurückzuführen, dass der Schnee komprimiert wird: Der Reifen „rollt“ praktisch immer „bergauf“ und muss Arbeit verrichten. Der Massenschwerpunkt geht jedoch nie höher, sondern der Schnee wird komprimiert. Und das ist die Quelle der Arbeit und die Erwärmung des Schnees. Was unter den richtigen Bedingungen zu "Sintern" führt (nein, ich bin mir nicht sicher, ob Sie dieses Wort mit Schnee verwenden können, aber es scheint angemessen, das Phänomen zu beschreiben). Sie können die gegen den Schnee geleistete Arbeit abschätzen, indem Sie sehen, wie viel schwieriger es ist, in weichem Schnee zu fahren als auf einer ebenen Oberfläche - der Unterschied ist die Arbeit, die zum Verdichten des Schnees aufgewendet wird.

Ich habe keine guten Zahlen dafür - aber ich weiß, dass, als ich mit einem 4x4 an einem Strand (weicher Sand) fuhr, es einen sehr schlechten Benzinverbrauch hatte: in der Größenordnung von 5 mpg für ein Auto, das normalerweise bekommen würde etwa 20. Dies bedeutet, dass der Motor fast 4x härter als gewöhnlich arbeiten musste, nahe an seiner Spitzenleistung. Wenn wir sagen, dass es 75 PS benötigte, nur um mit einer Geschwindigkeit von 20 mph durch das weiche Material zu schieben, dann erhalten wir die Arbeit pro zurückgelegtem Meter als etwa 6300 J; Unter der Annahme, dass es die Vorderreifen sind, die komprimieren, haben wir bei einer Breite von jeweils 25 cm eine Fläche von 0,5 m komprimiert$^2$was bedeutet, dass es ungefähr 12000 J / m gibt$^2$oder 1,2 J/cm$^2$verfügbar.

Die latente Schmelzwärme von Eis beträgt etwa 330 J/g, so dass all diese Energie, so verteilt, nur wenige mg Schnee pro Quadratzentimeter (oder 1 Gramm pro Meter für jede der beiden Reifenspuren) schmelzen könnte. Das scheint nicht genug zu sein, um zu erklären, was Sie beobachten: Es gibt einfach nicht genug Kraft in einem durchschnittlichen Auto, um den Schnee zu schmelzen, über den es fährt.

Aus den Maxwell-Beziehungen können Sie leicht erkennen, dass jede dieser jeweiligen Variablen in Bezug auf eine freie Energie konstant gehalten wird. Ich denke, aus klassischer Sicht könnte man unter Berücksichtigung des Modells der kinetischen Energie und Temperatur zusammen mit der Definition des Drucks schlussfolgern, dass der Temperaturanstieg von einem konstanten Druck der Reifen herrührt, der für einen konstanten Druck auf dem Boden sorgt , in Form von kinetischer und statischer Reibung.

Diese Haftreibung während der Fahrt eines Fahrzeugs würde die Temperaturerhöhung der Reifen erzeugen.

Dies wird durch die Gleichung dargestellt:

$F_{s} = \mu_{s}F$

wobei in diesem Fall die Kraft typischerweise gleich der Gravitationskraft des Autos wäre:

$F = ma$, Wo$a = g = 9.81 m s^{-2}$