Öffnen - Oebv.at

Maturafragen für Big Bang 6
Kapitel 22 Kältetechnik und Wärmekraftmaschinen
Frage 50 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik
a Auf www.cosmic.de schreibt Michael-CH:
„Hallo, habe da mal wieder so eine verrückte
Idee, den Minikühlschrank offen lassen, um das
Zimmer zu kühlen.“ Kann das tatsächlich funktionieren? Verwende für deine Erklärungen einerseits den Energiesatz und andererseits den 2.
Hauptsatz der Wärmelehre und gehe dabei auch
auf die Abbildung ein.
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
S1 Quellen aus naturwiss. Sicht
bewerten und Schlüsse ziehen
b Welche prinzipielle Möglichkeit gibt es, einen Eiskasten als Klimaanlage zu
betreiben? Verwende für deine Antwort die Überlegungen aus Frage a.
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
c Wie funktioniert eine Wärmepumpe allgemein? Warum ist eine Wärmepumpe
ökologischer als eine normale Zentralheizung? Verwende für deine Erklärung
die beiden Abbildungen.
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
W2 Informationen entnehmen
S2 Bedeutung, Chancen und Risiken von naturwiss. Erkenntnissen
erkennen, um verantwortungsbewusst handeln zu können
d Warum ist eine Zentralheizung keine Wärmepumpe?
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
Kommentare
50a: Ein Absinken der Temperatur würde ein Absinken der Entropie im Zimmer bedeuten. Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre
verbietet das aber. Es ist also nicht möglich, das Zimmer mit dem Eiskasten zu kühlen. Der Energiesatz besagt, dass die Anzahl
der Joule immer gleich bleibt. Nun fließen aber mit der Energie des Stroms Joule in dein Zimmer. Das Zimmer wird sich also
sogar erwärmen! Ein Eiskasten produziert auf der Rückseite mehr Wärme, als er im Inneren entzieht.
50b: Man kann den Eiskasten mit der Rückseite nach außen ins Fenster stellen und rundherum gut abdichten. Drinnen wird es
kälter, draußen wird es wärmer. Das Zimmer ist nun kein abgeschlossenes System mehr.
50c: Von selbst fließt Wärme immer nur zu Orten niedrigerer Temperatur. Ein Eiskasten oder eine Klimaanlage sind aber in der
Lage, Wärme von einem kälteren Ort (von innen) zu einem wärmeren (außen) zu transportieren, also gegen die natürliche
Flussrichtung. Das nennt man allgemein eine Wärmepumpe. Diese werden auch zum Heizen eingesetzt. Dabei wird dem
Grundwasser Wärme entzogen. Weil die Heizwassertemperatur nur bei etwa 45 ° liegt, spricht man von Niedrigtemperaturwärme. Sinnvoll ist das nur in Kombination mit einer Fußbodenheizung, weil eine normale Zentralheizung etwa 80 °C Wassertemperatur benötigt. Der Vorteil der Wärmepumpe: Man wendet zum Betreiben eine gewisse Arbeit auf und bekommt die
gepumpte Wärme gewissermaßen gratis dazu! Deshalb ist sie effizienter als eine normale Zentralheizung.
50d: Eine Zentralheizung heizt die Wohnung und macht sonst nichts. Eine Wärmepumpe heizt die Wohnung, kühlt aber
gleichzeitig etwas anderes ab. Das ist ein völlig anderes Prinzip.
© Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4
Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet.
Die Kopiergebühren sind abgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung.
Maturafragen für Big Bang 6
Kapitel 22 Kältetechnik und Wärmekraftmaschinen
Frage 51 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik
W2 Informationen entnehmen
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
a In den Abbildungen siehst du
den schematischen Vergleich zwischen Wärmepumpe und Wärmekraftmaschine. Ordne die Bilder
richtig zu und erläutere sie. Beschreibe die Wirkungsweise von
Wärmepumpe und Wärmekraftmaschine allgemein mit möglichst
einfachen Worten.
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
E4 Ergebnisse analysieren, interpretieren und durch Modelle abbilden
b Beim Komprimieren des Gases in einem Otto-Motor
muss man Arbeit aufwenden, beim Arbeitstakt bekommt man aber mehr zurück. Die Differenz beider
Flächen entspricht der Arbeit, die das Gas am Kolben
verrichtet hat (siehe Abb.). Zeige rechnerisch, dass diese
Fläche tatsächlich einer Arbeit entspricht.
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
c Der Wirkungsgrad des gesamten menschlichen Organismus
liegt bei einer Belastung in der
Größenordnung eines Automotors. Ist die „Maschine Mensch“
daher ein Wärmemotor? Begründe zunächst allgemein und dann
mit Hilfe des theoretisch maximalen Wirkungsgrads eines Wärmemotors: ηmax = 1 – T min /T max.
S1 Quellen aus naturwiss. Sicht
bewerten und Schlüsse ziehen
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
Kommentare
51a: Wärmemotoren oder Wärmekraftmaschinen (A) verwandeln die ungeordnete Bewegungsenergie der Wärme (zumindest
teilweise) wieder in geordnete zurück. Eine Maschine, die Wärme gegen ihre natürliche Flussrichtung transportiert, nennt man
allgemein eine Wärmepumpe (B). Mit dieser erzeugt man also gleichzeitig Wärme und Kälte, aber an verschiedenen Stellen.
51b: Einerseits ist Arbeit gleich Kraft mal Weg (W = F∙s), andererseits ist Druck gleich Kraft pro Fläche (p = F/A). Wenn man
F = p∙A in die erste Gleichung einsetzt, erhält man W = p∙A∙s = p∙V. Druck mal Volumen hat also wie die Arbeit die Einheit
Joule. Die Fläche unter einer Kurve im p-V-Diagramm entspricht der Arbeit!
51c: Bei einer Wärmekraftmaschine bräuchte man ein Reservoir, das wesentlich wärmer ist als die Umgebung. Das ist beim
Mensch nicht der Fall, weil die Körpertemperatur im Normalfall rund 37 °C beträgt und 42 °C niemals übersteigen darf. Wenn
man in die Gleichung für den maximal erreichbaren Wirkungsgrad für Tmax die Temperatur des Menschen einsetzt (37 °C oder
310 K) und für Tmin die Umgebungstemperatur (20 °C oder 293 K), dann könnte die „Maschine Mensch“ nur einen Wirkungsgrad von rund 5,5 % besitzen.
© Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4
Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet.
Die Kopiergebühren sind abgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung.