Kapitel 20 Ausdehnung, Diffusion und Phasenübergänge

Maturafragen für Big Bang 6
Kapitel 20 Ausdehnung, Diffusion und Phasenübergänge
Frage 46 passt zu den Poolthemen 13 Physik als forschende Tätigkeit, 16 Physik des 18. und 19 Jahrhunderts,
18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik
W4 Auswirkungen erfassen und
beschreiben
a Erkläre mit Hilfe der Abbildung,
warum die Volumenausdehnung eines Festkörpers in Prozent immer
rund 3-mal so groß ist wie die Längenausdehnung (siehe Tabelle unten).
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
E2 Fragen stellen und Vermutungen aufstellen
S1 Quellen aus naturwiss. Sicht
bewerten und Schlüsse ziehen
b Füllt man heißes Wasser in ein
normales Glas, dann bekommt es einen Sprung. Warum? Springen dicke
oder dünne Gläser leichter? Und warum zerspringt Quarzglas nicht?
Verwende für deine Erklärung Tabelle und Abbildung.
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
c Meistens wird die Masse von 1 Liter Wasser mit 1 kg gleichgesetzt.
Wie groß ist der Fehler, den man dadurch bei Zimmertemperatur und
Siedetemperatur macht? Warum ist
es nicht exakt, von „einem Liter Mineralwasser“ zu sprechen? Verwende für deine Erklärung die Abbildung.
S1 Quellen aus naturwiss. Sicht
bewerten und Schlüsse ziehen
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
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46a: Angenommen, die Seiten eines Würfels dehnen sich durch Erwärmen um 10 % aus. Das Volumen erhöht sich dann um
den farbig markierten Teil. Wenn man diese drei Flächen an eine Seite des ursprünglichen Würfels stellt, siehst man, dass die
Volumenausdehnung ziemlich exakt 30 %, also das 3fache der Längenausdehnung beträgt. Nur ein kleiner Rest steht über.
46b: Wenn man heißes Wasser in ein normales Glas gießt, dann kommt es zu einem enormen Temperaturgefälle in der Glaswand. Das Glas dehnt sich unterschiedlich stark aus und springt. Dünne Gläser springen dabei weniger leicht, weil sich die
Wärme schneller gleichmäßig verteilt und so die mechanischen Spannungen verschwinden. Für hohe Temperaturen verwendet man Quarzglas, weil es sich etwa um den Faktor 20 weniger stark ausdehnt als normales Glas.
46c: Ein Liter Wasser hat nur bei 4 °C genau eine Masse von 1 kg. Aus der Abb. kann man abschätzen, dass bei Zimmertemperatur (20 °C) 1 kg Wasser ein Volumen von etwa 1005 cm3 besitzt. Das bedeutet umgekehrt, dass ein Liter Wasser in diesem Fall eine um etwa 0,5 % geringere Masse hat. Bei Siedetemperatur liegt der Fehler zwischen 4 und 5 % (Volumen zwischen 1040 und 1050 cm3/Liter). Von einem Liter Mineralwasser zu sprechen ist deshalb nicht exakt, weil man dazu die genaue Temperatur angeben müsste. Bei hohen Temperaturen befindet sich in der Flasche nämlich mehr als 1 Liter Wasser.
© 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 20 Ausdehnung, Diffusion und Phasenübergänge
Frage 47 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, 21 Physik und Technik und 24 Teilchen
a Auf http://de.answers.yahoo.com fragt Mandy B., wie sie am besten Nudeln
kocht. Chiara gibt ihr die Antwort: „Auf Stufe 6, kannst ruhig voll aufdrehen.“
Begründe, warum Chiara in diesem Fall nicht ökologisch handelt!
S1 Quellen aus naturwiss. Sicht
bewerten und Schlüsse ziehen
S2 Bedeutung, Chancen und Risiken von naturwiss. Erkenntnissen
erkennen, um verantwortungsbewusst handeln zu können
b In den 1960er-Jahren wurde von der NASA eine
Technologie für die Anzüge der Astronauten entwickelt, bei der man Schmelz- und Erstarrungswärme
nutzt. Man spricht von Latentspeichermaterialien. Erkläre diese Technologie und stelle einen Zusammenhang zu Frage a her.
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
W4 Auswirkungen erfassen und
beschreiben
c Erkläre die Funktionsweise eines Druckkochtopfs mit Hilfe des Phasendiagramms von Wasser. Begründe, warum es Schwierigkeiten bereitet, auf hohen Bergen warme Mahlzeiten zuzubereiten. Begründe, warum die Aussage „Wasser
kocht bei 100 °C“ nicht exakt ist. Begründe weiters, warum Eis unter hohem Druck schmilzt.
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
W2 Informationen entnehmen
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)
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47a: Wenn man Wasser erwärmt, dann steigt die Temperatur so lange, bis es zu kochen anfängt. Wenn man weiter Energie
zuführt, bleibt die Temperatur so lange konstant, bis das gesamte Wasser verdampft ist. Um Wasser von einer Phase in eine
andere zu bringen, muss Arbeit gegen die Bindungskräfte verrichtet werden. Die zugeführte Wärmeenergie führt daher nicht
zu einer Erhöhung der Temperatur, sondern zum Auflösen der Verbindungen zwischen den Wassermolekülen. Weil es sich
dabei um eine Erwärmung ohne Temperaturerhöhung handelt, spricht man von der verborgenen bzw. latenten Wärme. Deshalb sollte man bei Erreichen der Siedetemperatur so weit zurückdrehen, dass man das Wasser gerade noch am Kochen hält.
47b: Im Stoff sind Millionen mikroskopisch kleiner Kapseln, die mit Paraffinwachs gefüllt sind. Hat der Körper überschüssige
Wärme, geht diese auf das Wachs über und es schmilzt. Es speichert dabei Wärme, ohne dass es sich erwärmt (latente Wärme, siehe a). Wenn es kälter wird, dann erstarrt das Material und gibt die Erstarrungswärme wieder an den menschlichen
Körper ab.
47c: Bei einem Druckkochtopf kann man den Deckel luftdicht verschließen, damit der Wasserdampf nicht entweicht. Dadurch
erhöht sich beim Sieden der Druck auf etwa den doppelten Normalwert und die Siedetemperatur auf 120 °C. Am Mont Blanc
kocht das Wasser bei 84 °C und am Mount Everest sogar schon bei 70 °C. Deshalb ist es auf hohen Bergen sehr schwer, bestimmte Speisen durchzukochen, etwa Kartoffeln. Generell hängt die Siedetemperatur von Wasser vom Druck ab und liegt
nur bei Normaldruck bei 100 °C. Eis schmilzt unter Druck, weil die Kurve zwischen Eis und Wasser nach links oben verläuft.
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