Lehrtext Grundwissen Physik 2 Die Wärmelehre

8. Jahrgangsstufe
Lehrtext
Physik- Grundwissen
Grundwissen Physik 2
Dieses Skript beinhaltet den Lehrstoff des zweiten Halbjahres des Fachs Physik an bayerischen Gymnasien. Es umfasst die Bereiche:
• Wärmelehre
• Elektrische Energie
Das Grundwissen ist zweispaltig angelegt, in der linken Spalte stehen Gesetze und rechts findet der
Leser passende Musteraufgaben. Für einen guten Lernerfolg sollte der Leser die Musteraufgaben erst
selbst rechnen und die eigene Lösung mit der Musterlösung vergleichen.
Definitionen und Sätze
Musterbeispiele
1. Um 100 g Aluminium um 10◦ C zu erwärmen, ist eine Energie von 896 J nötig. Berechne die spezifische Wärmekapazität.
Die Wärmelehre
Grundlage
Jeder Körper besteht aus kleinsten Teilchen,
die durch Bindungskräfte aneinander gebunden
sind. Die Stärke der Bindungskräfte entscheidet
über den Aggregatzustand des Körpers. Bei der
Materie unterscheidet man zwischen
• Festkörper
• Flüssigkeit
• Gase
Innere Energie
Die innere Energie ist die kinetische Energie
der Teilchen, die durch deren unregelmäßiger
Bewegung entsteht. Die innere Energie ist direkt
proprtional zur Temperatur.
Die Temperatur ist ein Maß für die innere
Energie
E = cm∆T
E
c∆T
896 J
c= ◦
10 C · 100 g
c=
c = 0,896
2. Von der Sonne werden 18000 J aufgewendet, um einen Eisklotz von 0, 050 kg
zu schmelzen. Ermittle die Temperatur des
Schmelzwassers.
• Berechne die Energie, die zum
Schmelzen des Eises aufgebracht
werden muss (s = 334 gJ )
E = 334
Die innere Energie ist proportional zur Masse
des Stoffes:
Die innere Energie wird berechnet über
E = cm∆T
c ist eine stoffabhängige Konstante
[c] = 1
J
g◦ C
c 2008–06–29 by Markus Baur using LATEX
J
g◦ C
J
· 50 g = 16700 J
g
• Die übrige Energie wird nun zur Erwärmung des Wassers verwendet:
18000 J − 16700 J = cm∆T
1300 J = 4,20
∆T =
J
g◦ C
· 50,0 g · ∆T
1300 J
= 6,19◦ C
210 circJ C
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Definitionen und Sätze
Schmelz und Verdampfungsenergie
Wird der Aggregatzustand eines Stoffs
ge!echselt, dann ist diese direkt proportional zur Masse:
• Schmelzen: Übergang vom festen zum flüssigen Zustand
Musterbeispiele
1. Welche Energie ist nötig, um 250 g Wasser
von 20◦ C zu verdampen.
• Notwendige innere Energie:
E = 4,20
E =s·m
s ist die spezifische Schmelenergie
• Sieden Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand
J
g◦ C
· 250 g · 80◦ C
E = 84000 J
• Verdampfungsenergie
E = 2257
J
· 250 g
g
E =d·m
E = 564250 J
d ist die spezifische Verdampfungsenergie
Die elektrische Energie
Elektrischer Strom
Elektrischer Stromfluss ist die Bewegung
von elketrischen Ladungen durch einen elektrischen Leiter.
Die kleinste Ladung ist die Elementarladung
1. Aus wie vielen Elektronen setzt sich eine
Ladung von 5,00 C zusammen
e = 1,6022 · 10−19 C
n=
Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfache
dieser Ladung.
n=
Ladung und Stromstärke
Die Stromstärke ist das Maß, wie viele Ladungen durch den Querschnitt eines Leiters in
einer bestimmten Zeit fließen:
I=
∆Q
∆t
Die Spannung
5,00 C
1,6022 · 10−19 C
n = 3,12 · 1019
2. Ein Messgerät zeigt eine Stromstärke von
2.50 A an. Berechne, wie viele Elektronen
in 4.00 s durch den Querschnitt des Leiters
fließen.
Q = 5,00 A · 4,00 s
Q = 20,0 C
Die Einheit der Stromstärke
C
1 = 1A
s
Q
e
n=
Q
20,0 C
=
e
1,6022 · 10−19 C
n = 1,25 · 1020
Die Spannung U ist die Ursache für den
elektrischen Stromfluss. Das Formelzeichen ist
U und die Einheit 1 V.
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Definitionen und Sätze
Das Gesetz von Ohm
Jedes elektrische Bauteil besitzt einen elektrischen Widerstand. Das Ohmsche Gesetz
sagt, dass er proportional zu U und indirekt
proportional zu I ist.
R=
U
I
Die Einheit ist
Musterbeispiele
1. Ein elektrischer Wasserkocher wird mit
220 V und 2.50 A betrieben. Berechne, um
wie viel Grad Celsius der Kocher 200 g
Wasser in 4.50 s erwärmt
UI =
220 V · 2,50 A =
∆T =
[R] = 1
V
= 1Ω
A
Elektrische Leistung
P = UI
Die elektrische Leistung ist das Produkt aus
Spannung und Stromstärke
[P ] = 1 VA = 1 W
Elektrische Schaltungen
• Die Reihenschaltung
cm∆T
t
4,20 g◦JC ∆T
4,50 s
550 J
840 ◦JC
∆T = 0,64◦ C
2. Bei einer Schaltung ist ein 5,00 Ω Widerstand in Reihe mit einer Parallelschaltung
eines 2,00 Ω und eines 4,00 Ω Widerstand
geschalten. Die Stromquelle liefert 12,0 V.
Berechne die Leistung dieser Schaltung.
• Berechnung des Ersatzwiderstands
der Parallelschaltung:
1
1
1
=
+
Re
2,00 Ω 4,00 Ω
1
3,00
=
Re
4,00 Ω
Re = 1,33 Ω
I = konstant
U = U1 + U2
• Der Gesamtwiderstand ist die Summe aus dem ersten Widerstand und
dem Ersatzwiderstand der Parallelschaltung:
R = 5,00 Ω + 1,33 Ω
R = R1 + R2
R = 6,33 Ω
• Die Parallelschaltung
• Berechnung der Gesamtstromstärke
mit dem Ohmschen Gesetz:
R=
I=
U = konstant
I = I1 + I2
1
1
1
=
+
R
R1 R2
c 2008–06–29 by Markus Baur using LATEX
U
U
⇒ I=
I
R
12,0 Ω
= 1,90 A
6,33 Ω
• Berechnung der Leistung:
P = UI
P = 12,0 V·1,90 A = 22,7 VA = 22,7 W
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