Zielstellung

Bodensterilisation:
Abschätzung des Energiebedarfs, Energietransports, Energieerzeugung

Die Berechnungen erfolgen unter der Zuhilfenahmen des KI-Programms Copilot (Microsoft)

 

Ausgangsdaten

Gesendet von Copilot:

Die spezifische Wärmekapazität von Gartenerde kann variieren, abhängig von der Zusammensetzung und dem Feuchtigkeitsgehalt. Im Allgemeinen liegt die spezifische Wärmekapazität c(Boden) von feuchter Erde bei etwa 2000 J/(kg·K) .

Gesendet von Copilot:

Handelsübliche Mikrowellen für den Haushalt haben in der Regel folgende Anschlussdaten:

1. Spannung : 230 V (Wechselstrom)
2. Frequenz : 50 Hz
3. Leistungsaufnahme : Zwischen 700 und 1500 Watt, abhängig vom Modell und den Funktionen
4. Absicherung : Meistens 10 A oder 16 A

Diese Daten können je nach Hersteller und Modell leicht variieren. Es ist immer ratsam, die spezifischen Angaben im Handbuch des Geräts zu überprüfen.

Gesendet von Copilot:

Das Gewicht von 1 Liter Gartenerde kann variieren, abhängig von der Zusammensetzung und dem Feuchtigkeitsgehalt der Erde. Im Allgemeinen wiegt 1 Liter Gartenerde etwa 0,7 bis 1,5 Kilogramm .

Feuchte Erde ist schwerer als trockene Erde, und Erde mit hohem Sand- oder Kiesanteil kann ebenfalls schwerer sein. Wenn du eine genauere Angabe benötigst, ist es am besten, die Erde zu wiegen.

Energiebedarf für die Dampferzeugung
von 18 g (1 Mol) flüssigem Wasser mit 10°C auf Wasserdampf von 100°C

Um ein Mol Wasser [18 g] von 10°C auf Wasserdampf bei 100°C zu erhitzen, müssen wir zwei Hauptschritte berücksichtigen: das Erwärmen des Wassers von 10°C auf 100°C und das Verdampfen des Wassers bei 100°C.

1. Erwärmen des Wassers von 10°C auf 100°C :

   • Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt etwa 4,18 J/g°C.
   • Ein Mol Wasser hat eine Masse von 18 g.
   • Die Temperaturänderung beträgt 90°C (von 10°C auf 100°C).

   Die benötigte Energie (Q_1) berechnet sich wie folgt: [ Q_1 = m × c × ΔT = 18 , ∗{g} × 4,18 , ∗{J/g°C} × 90 , ∗{°C} = 6781,2 , ∗J ]

2. Verdampfen des Wassers bei 100°C :

   • Die Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt etwa 40,7 kJ/mol.

   Die benötigte Energie (Q_2) ist: [ Q_2 = 40,7 kJ = 40700∗J ]

Die gesamte benötigte Energie (Q_{∗{gesamt}}) ist die Summe der beiden Energien: [ Q_{∗{gesamt}} = Q_1 + Q_2 = 6781,2∗J + 40700∗J = 47481,2 ∗J ]

Es werden also 47,4812 KiloJoule benötigt.

Wärmebedarf Boden für 1 kg Gartenboden -> 80°C

Um 1 kg Boden von 18°C auf 80°C zu bringen benötigt man

[1] Q(Boden, 18, 80)= m * c(Boden) * ΔT;
[1a] Q(Boden, 18, 80)= 1 kg * 2000 J/(kg·K) * 62 K
[1a] Q(Boden, 18, 80)= 124 kJ

Wärmeabgabe Dampf 100°C -> Wasser 80°C

Die Wärmeabgabe erfolgt in zwei Schritten:

1. Kondensation
[2] Q(Kondensation) = 40,7 KJ

2. Abkühlung
[3] Q(Abkühlung) =c(Wasser) *m(Wasser) * ΔT
[3a] Q(Abkühlung) =4,18 J/(g*K) * 18g * 20K
[3b] Q(Abkühlung) =1,5 kJ

1 Mol Wasser gibt bei der Abkühlung von Dampf auf 80°C-Wasser

etwa Q(gesamt, 100->80) = 42 KJ ab.

Ergebnis:
Gesamtbetrachung von benötigter Energie, Zeit und Wassermenge zu Bodensterilisation von 1 kg Gartenboden

Entscheidend für die Berechnung der theoretischen Effizienz sind

• die Sterilistionstemperatur, geschätzt
  [angenommen. t_St= 80 °C]
• die Wärmekapazität, c(Boden) zwischen 0,8 und 3,0 J/(g*K),
  [angenommen c(Boden) = 2,03,0 J/(g*K)]
• Die Masse an Boden m(Boden)
  [angenommen m(Boden) = 1kg]

Ohne Verluste gerechnet benötigt man um 1 kg Gartenboden von 18°C auf t _St= 80 °C zu bringen: die Wärmeenergie von 124 kJ.

Dazu sind etwa m(Wasser)=3*18g=54g Wasser mit der Ausgangstemperatur von 10°C nötig.

Diese Portion m(Wasser) mit 10°C wird in Dampf mit 100°C umgewandelt. Dazu benötigt man eine Energie von 142 KJ.

Diese Energie wird von eine Trafo mit 2 kW in 71 Sekunden bereitgestellt.

Quellen

Die Berechnungen erfolgten mit Copilot, aufgerufen mit dem Browser "Edge (Microsoft) "

https://www.schweizer-fn.de/stoff/wkapazitaet/wkapazitaet_baustoff_erde.php

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Gartendialog.de;