Wie kann es sein, dass es im Auto heißer wird als draußen?

Das Gesetz der Thermodynamik besagt, dass zwei Körper irgendwann die gleiche Temperatur haben werden. Wie ist es möglich, dass es, wenn Sie Ihr Auto in der Sonne stehen lassen, im Auto heißer wird als draußen? Warum hat das Auto nicht die gleiche Temperatur wie die Außentemperatur, wie es laut Gesetz sein sollte?

Dieses Gesetz gilt, wenn keine Wärmequellen vorhanden sind. Bei einem Auto, das in der Sonne steht, ist das nicht der Fall.
Wie meinst du das? Meinst du, Asphalt heizt es durch Reifen auf? Was ist, wenn ich das Auto auf Gras stehen lasse - es wird immer noch heißer als draußen.
Es wird schließlich die gleiche Temperatur wie draußen haben
Die Gesetze der Thermodynamik stellen sicher, dass es eine maximal mögliche Temperatur gibt, die das Auto erreichen kann, aber sie hängt eher mit der Temperatur der Korona der Sonne als mit der Lufttemperatur zusammen.
Oder, laienhaft ausgedrückt, Ihr Auto arbeitet als Gewächshaus. Teile im Inneren werden durch die Sonne erhitzt, aber der Wärmeaustausch wird durch die Hülle des Autos (Karosserie, Fenster usw.) verlangsamt. Beschichtete Windschutzscheiben, die einen Teil der solaren Wärmestrahlung reflektieren, anstatt sie durchzulassen, sind eine der gut sichtbaren Erklärungen dafür.
Umformulierte Frage: Warum ist das Innere meines Topfes auf einem Herd mit Feuer heißer als das Äußere? Jetzt kommt mir die Frage sehr blöd vor.

Antworten (4)

Das Gesetz der Thermodynamik besagt, dass zwei Körper irgendwann die gleiche Temperatur haben werden.

Das ist kein absolutes Gesetz. Es gibt Bedingungen, und eine dieser Bedingungen betrifft die Energiezufuhr zu den Körpern. Wenn dieses Gesetz absolut wäre, dann hätte die Sonne die gleiche Temperatur wie das Universum, etwa 2,7 K, weil das Universum viel größer als die Sonne ist. Aber die Sonne hat einen internen Energiewandler/Quelle, der ihre lokale Temperatur erhöht.

Der Innenraum eines geschlossenen Autos im Sonnenlicht wird aufgrund eines Treibhauseffekts höher sein. Das Glas des Autos ist für das sichtbare Licht transparent, sodass Energie vom Innenraum des Autos (Sitze, Armaturenbrett und Boden) absorbiert wird, wodurch sich deren Temperatur erhöht. Diese Gegenstände geben dann Infrarotstrahlung ab und das Glas ist für diese Strahlung ziemlich undurchlässig und die Energie bleibt im Auto. Es kommt also mehr Energie ins Glas als aus dem Glas entweicht.

Da der Kofferraum keine Glasöffnung hat, um Strahlung hereinzulassen, bleibt es im Allgemeinen etwas kühler als der Fahrgastraum. Welche Strahlung auch immer der Kofferraumdeckel erhält, wird ziemlich effizient reflektiert und wieder abgestrahlt. Das heißt nicht, dass es nicht heiß wird, aber es erreicht nicht dasselbe wie der Fahrgastraum.

@bodacydo - mit anderen Worten, irgendwann wird die Leistung gleich der Leistung sein. In diesem Fall tritt Leistung (sichtbares Licht) sehr effizient ein (wird absorbiert). Aber die Ausgangsleistung (Infrarot, zentriert bei etwa 10 um) wird nicht effizient abgestrahlt. Das Innere muss also ziemlich heiß werden, bevor die abgestrahlte Leistung der absorbierten Leistung entspricht.
@Bill N. Es gibt eine Frage, die ich schon seit geraumer Zeit habe, und diese Frage wirft sie erneut auf. Wenn ich eine Windschutzscheiben-Sonnenblende im Auto platziere, macht die Tatsache, dass die Oberfläche der Windschutzscheibe metallisch oder schwarz ist, einen großen Unterschied, nicht wahr? Wenn es schwarz ist, wird mehr Infrarot emittiert, daher sind diese Arten von Farbtönen nutzlos. Metallische emittieren wenig Infrarot, wodurch das Auto kühler bleibt als ohne sie. Ist diese Annahme richtig oder hat das Licht, das in das Auto eintritt, so viel Infrarot wie das Licht, das von den Sitzen, dem Armaturenbrett usw. ausgestrahlt wird?
@YoMismo Die hellfarbigen (silbern oder weiß) glänzenden Windschutzscheibenschirme reflektieren das sichtbare Licht zurück aus dem Glas, anstatt es zu absorbieren. Das Problem ist nicht so sehr die Menge oder Rate der eintretenden IR, sondern die vom Innenraum absorbierte Gesamtleistung, die die Temperatur erhöht und zu mehr eingeschlossener Energie führt. Wenn Sie Energie reflektieren können, hilft das, den Innenraum kühler zu halten.
@YoMismo, die helle Farbe deines Sonnenschirms besiegt den Treibhauseffekt. Die meiste Energie der Sonnenstrahlung liegt in kurzen Wellenlängen, die Glas passieren. Die meiste Energie in der Schwarzkörperstrahlung von einem heißen Armaturenbrett oder einer heißen Polsterung liegt in längeren Wellenlängen, die durch das Glas blockiert werden. Ein heller Farbton reflektiert einen Großteil der kurzwelligen Strahlung durch das Glas zurück, bevor sie im Auto absorbiert werden kann.
Konvektion hat einen wesentlich größeren Effekt als Strahlung, wie man demonstrieren kann, indem man die Fenster herunterrollt oder sie auch nur ein wenig knackt.
Wie @Michael feststellt, ist der Effekt, der die Autoheizung antreibt, derselbe wie der, der tatsächliche Gewächshäuser antreibt. Luft einschließen und Konvektion verhindern. Dies unterscheidet sich vom Treibhauseffekt, dh. Autoheizung liegt nicht hauptsächlich daran, dass Licht bei manchen Wellenlängen besser übertragen wird als bei anderen.
Wenn die IR-Wellenlängen so effizient wie die sichtbaren durch das Glas zurück übertragen würden, würde das Innere nicht so heiß werden. Der Unterschied in der Wellenlänge ist der Hauptgrund. Ich stimme zu, wenn Sie die Belüftung zulassen, können Sie das Auto auf Lufttemperatur halten, also ist es sowohl / als auch, nicht entweder / oder. Aber der Wellenlängentransmissionseffekt ist bei diesem Phänomen extrem wichtig.
Du sagst also, ich soll im Kofferraum warten...
@NeilG Nein, du solltest anfangen Motorrad zu fahren.
@BillN Ich bin sehr spät zur Party. Aber ich möchte die obigen Ausführungen nur bestätigen: Die Vermeidung von Konvektion ist in der Tat der Hauptgrund für die Erwärmung des Autoinnenraums. Der Unterschied in der Wellenlänge ist nicht spezifisch für Autos. Offene Oberflächen absorbieren sichtbares Licht und emittieren auch IR-Licht. Der Grund, warum sie sich nicht so stark erwärmen wie der Fahrzeuginnenraum, ist das Vorhandensein von Konvektion.
@Milan Warum wird die Luft warm? NICHT, weil es das sichtbare Licht oder sogar das Infrarot absorbiert, sondern weil es in Kontakt mit den wärmeren Oberflächen steht. Die Oberflächen bleiben warm und werden weiterhin heiß, weil das IR nicht effektiv durch das Glas emittiert wird. Entfernen Sie die Luft, und das Innere wird immer noch warm und bleibt warm. Die Luft erwärmt sich einfach, weil sie mit den festen Oberflächen ins Gleichgewicht kommt, die die hauptsächlich sichtbare Strahlung absorbieren.
@BillN Nein. Die Oberflächen bleiben heiß, weil sie in Kontakt mit den wärmeren Oberflächen sind und weil Wärme nicht durch Konvektion transportiert wird. Meteorology Today, 12. Ausgabe, Seite 45: "Studien haben gezeigt, dass die warme Luft in einem Gewächshaus eher durch die Unfähigkeit der Luft, zu zirkulieren und sich mit der kühleren Außenluft zu vermischen, als durch den Einschluss von Infrarotenergie verursacht wird."

Obwohl ich die anderen guten und gründlichen Antworten respektiere, habe ich das Gefühl, dass ich Ihnen eine einfache Erklärung zu Ihrer genauen Frage geben kann.

Wie Sie in Ihrer Frage erwähnen, two bodies eventually will have equal temperaturesbei thermischem Kontakt. „Irgendwann“ ist der Schlüssel. Wenn die Temperatur eines Körpers erhöht wird, werden die Körper schließlich eine neue Gleichgewichtstemperatur finden.

Aber dieses Gesetz verhindert nicht den Temperaturanstieg eines Körpers durch eine externe Quelle. Es wird nur gesagt, was von da an passiert. Solange ständig Energie zugeführt wird, wird diese angestrebte Temperaturgleichheit nie erreicht.

  • Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz, der den Temperaturanstieg erklärt.

Δ U = Q − W

Die Sonne fügt Wärme hinzu Q zum Auto durch Strahlung. Es wird keine Arbeit geleistet W = 0 . Also innere Energie U steigen muss (entsprechend einer Temperaturerhöhung).

Die endgültige konstante Temperatur, die das Auto an einem sonnigen Tag erreicht, hängt sowohl vom Wärmeaustausch mit der Außenluft als auch von der einfallenden (sowie ausgehenden) Strahlung ab. All dies gleicht sich irgendwann aus, indem die Temperatur ansteigt, bis jede Sekunde Wärme, die das Auto verlässt , jede Sekunde Wärme in das Auto eindringt. Die Temperatur wird nicht konstant sein, bis dieser Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Das nullte Gesetz sagt etwas ganz anderes. Es besagt, wenn A und B im thermischen Gleichgewicht sind und B und C im thermischen Gleichgewicht sind, dann sind A und C im thermischen Gleichgewicht. Da davon ausgegangen wird, dass sich diese Dinge im thermischen Gleichgewicht befinden, wird daraus nicht abgeleitet, dass sie schließlich in ein thermisches Gleichgewicht gelangen.
Auch nach Ihrer Bearbeitung machen Sie es im nächsten Absatz zu einem Gesetz. Es ist kein Gesetz, es ist das Ergebnis einer Analyse, die nur gilt, wenn viele Bedingungen zutreffen, es leicht ist, Objekte in Kontakt zu bringen, damit sie auch über einen langen Zeitraum unterschiedliche Temperaturen haben, und es kann sogar zu einem Energiefluss von heiß kommen zu kalt und die Kälte kälter werden zu lassen Da negative Wärmekapazitäten in gravitativ gebundenen Systemen sehr häufig sind, haben die äußeren Schichten unserer Sonne eine negative Wärmekapazität, wenn sie ein rotes Riesenstadium erreicht. Es ist wichtig, den Missverständnissen von jemandem zu begegnen, aber es als Gesetz zu dulden, ist es nicht

Die Luft hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und -kapazität, in den meisten Fällen draußen, ist der Hauptbeitrag zum Wärmeaustausch (und damit zur Wahrnehmung der Temperatur) die Strahlung (Stefans Gesetz, jedes Objekt strahlt Licht über das gesamte Spektrum aus, wobei kältere Körper das meiste davon abgeben es im infrarot, heißer ist mehr sichtbar rot (kohle glut, heißes eisen), dann gelb, weiß, bläulich weiß, wenn es heißer wird). In diesem Fall erhält das Auto einen hohen Energiefluss von der Sonne (absorbiert den größten Teil davon), sodass es sich sehr schnell aufheizt. Es ist, als würde man neben dem Feuer sitzen – die Luft zwischen dir und dem Feuer ist kalt, aber das Feuer kann dich trotzdem verbrennen.

Thermodynamisch gesehen ist das Auto der Außenluft (schwach gekoppelt, langsame Übertragung), dem heißen Boden, dem Himmel (bei Strahlungstemperatur normalerweise niedriger als die Umgebungsluft, möglicherweise unter Null, wenn nicht bedeckt) und der Sonne bei ~ ausgesetzt 6000K Temperatur (starker Zufluss, aber nur aus einer ganz bestimmten Richtung). Sie haben also (Sonnenwärmestrahlung) + (sehr wenig Himmelsstrahlung) - (Strahlungsverluste des Autos) - (Leitung, Konvektion durch die Luft). An einem sonnigen Tag wird die Temperatur ziemlich hoch, bevor die Verluste den Zufluss überwinden.

Der Strahlungsaustausch ist wichtiger, als die meisten Menschen glauben. Sie wissen, dass Sie im Winter bei 25 Grad drinnen vielleicht einen Pullover brauchen, aber im Sommer reicht ein T-Shirt bei 18 Grad? Das liegt daran, dass heiße Luft nicht hilft, wenn die Wände kalt sind und nicht so viel Wärmestrahlung abgeben. Ebenso ist ein sonniger Wintertag sehr kalt, da Sie statt relativ warmer Wolken einen "transparenten" Himmel haben, der fast keine Wärmestrahlung abgibt. Das ist eigentlich der einzige Weg, auf dem die Erde abkühlt (und es ist beträchtlich, sehen Sie nur, wie schnell die Temperatur sinkt, wenn die Sonne untergeht). In einer kalten Winternacht kann die Oberfläche allein aufgrund der Strahlungsverluste unter die Lufttemperatur abkühlen, und Sie können sogar Wasser auf einem reflektierenden Spiegel unter freiem Himmel gefrieren, selbst wenn die Umgebungstemperatur > 0 ist.

Also, zum Schluss ... für jedes Objekt, für das Sie die Temperaturbilanz berechnen, müssen Sie alle Objekte berücksichtigen, mit denen es in thermischem Kontakt steht. Das ist nicht nur physischer Kontakt, jedes Objekt, das sich in Sichtweite befindet, tauscht die Wärme über Strahlung aus (und das ist an der Luft wichtiger als der direkte Kontakt mit Luft). Selbst im Vakuum, wo ein direkter Austausch nicht möglich ist, erreicht jedes Objekt schließlich die Durchschnittstemperatur der Objekte um es herum (wobei Objekte, die eine größere Winkelfläche einnehmen, mehr beitragen).

Auf diese Weise können Sie die Temperatur der Sonne berechnen, indem Sie einfach ihre Größe am Himmel messen.

Mal sehen... die Sonne hat am Himmel einen Winkeldurchmesser von etwa einem halben Grad. Das bedeutet, dass aus der Vollen 4 π sphärische Fläche des gesamten Himmels um die Erde herum, nimmt sie ein π ( 0,5 π / 180 ) 2 (Die Erde verliert rundherum an Wärme 4 π , aber nur von der Sonne empfangen). Das Stefansche Gesetz besagt, dass der Wärmefluss wie folgt verläuft T 4 , also wird die Erdtemperatur der Durchschnitt sein T 4 des Himmels, also

T E 4 = T S 4 π ( 0,25 π / 180 ) 2 4 π = 4.76 × 10 − 6 T S 4
Wenn die Durchschnittstemperatur der Erde ist 290 K (Geben oder Nehmen), dann ist die Oberfläche der Sonne T S ≈ T E / ( 4.76 × 10 − 6 ) 1 / 4 ≈ 6200 K . Ziemlich beeindruckend, wenn man bedenkt, dass wir keine numerischen Eingaben oder Naturkonstanten benötigten, außer dem Winkeldurchmesser der Sonne, den wir mit dem Daumen einer ausgestreckten Hand messen können.

Vielleicht bin ich ein bisschen vom Thema abgekommen, aber ich hoffe, es hat die Dinge klarer gemacht.

„In den meisten Fällen ist der Hauptbeitrag zum Wärmeaustausch (und damit zur Temperaturwahrnehmung) im Freien die Strahlung“ Zitat? Nach meinem besten Verständnis ist Konvektion weitaus wichtiger, solange Sie sich in der Atmosphäre befinden.
Das ist eigentlich der einzige Weg, auf dem die Erde abkühlt (und es ist beträchtlich, sehen Sie nur, wie schnell die Temperatur sinkt, wenn die Sonne untergeht). Wüsten sind ein Paradebeispiel: Tagsüber kann es sehr heiß werden und nachts sinkt die Temperatur auf unter Null (°C).
@Taemyr-Konvektion funktioniert nur, wenn sich die Atmosphäre außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts befindet (adiabatische Atmosphäre, ~ 1 Grad Abfall pro 100 m Höhe). Wenn der Boden sehr heiß ist, entstehen aufsteigende Luftsäulen (die Adler verwenden), die Wärme in die höhere Atmosphäre abgeben (möglicherweise Gewitter auslösen). Aber das ändert nichts an der Tatsache, dass Sie verlieren 300 − 400 W / m 2 nur mit Strahlung!
@orion Da das Innere des Autos wärmer ist als das Äußere, haben Sie kein thermodynamisches Gleichgewicht.
Ich sprach von den Außenbedingungen. Für das Auto meinte ich, dass die einfallende Strahlung den Hauptbeitrag zum Heizen leistet. Aber auch die Kühlung eines Autos ist meist strahlungsgetrieben. Du erhältst 1400 W / m 2 von der Sonne im senkrechten Einfall (wahrscheinlich die Hälfte in gemäßigten Längen) und einem Auto an 70 ∘ C verliert 785 W / m 2 mit eigener Strahlung! Natürlich empfängt es auch Strahlung aus der Umgebung - der erhitzte Boden, ein bisschen vom Himmel, aber die Zahlen deuten darauf hin, dass die Strahlung sowohl beim Kühlen als auch beim Heizen den größten Beitrag leistet.
Wenn ich mir die Zahlen für Konvektionskühlung anschaue, würde ich sagen, dass etwa die Hälfte oder weniger der Kühlung durch Konvektion bereitgestellt wird. Bei windigen Bedingungen hilft Konvektion mehr. Die gebräuchlichsten Zahlen für die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten variieren ( 5 − 20 W / m 2 / K ) also für a 70 ∘ Auto, es kann irgendwo in der Reichweite sein 200 − 800 W / m 2 .

Vielleicht aus den gleichen Gründen wie die Erwärmung der Treibhäuser? Wenn die Fenster nicht abgedeckt sind, erhöht das Sonnenlicht die Energie im Inneren, indem es die warme Luft im Inneren der Struktur isoliert, so dass keine Wärme durch Konvektion verloren geht . [Aus Wikipedia]

Es ist eine Schande, dass diese sehr genaue Antwort so abgelehnt wird. Beispielsweise hatte Robert Wood zu Beginn des letzten Jahrhunderts experimentell nachgewiesen, dass Gewächshäuser die Wärme in ihrem Inneren halten, nicht weil sie IR-Strahlung einfangen, sondern verhindern, dass die warme Innenluft entweicht. Das Ersetzen eines Glasfensters durch ein auch im IR transparentes Fenster verursacht keine merklichen Änderungen. +1
@LLlAMnYP. Danke, aber es war etwas selbstverschuldet, da ich im ursprünglichen Beitrag nicht zwischen der Wirkung in Gewächshäusern und dem Treibhauseffekt unterschieden habe. :)
Wie kann es sein, dass es im Auto heißer wird als draußen?
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