beurteilen Spezifische Wärmkapazität von Eisen Exkurs Kompetenz

Kompetenz
Messen – rechnen – beurteilen
Wasser und Strand − Erscheinungen physikalisch erklären
In Vorgängen mit Temperaturänderungen spielt die spezifische Wärmekapazität eine Rolle. Sie kennzeichnet einen Stoff. Wir wollen sie für Wasser experimentell ermitteln. 1. Schritt: Wir suchen einen Zusammenhang zwischen messbaren Größen und c. Abbildung B1 zeigt, wie eine bekannte Gleichung unter­
schiedlich aufgelöst werden kann. Messwerte:
Zugeführte Energie Q = ð E zu = 0,03 kWh
Masse des Wassers m W = 1 kg
Anfangstemperatur h a = 19 °C
Endtemperatur h e = 42 °C
4. Schritt: Wir rechnen:
Q = ð Ezu
= 0,03 kWh = 108 kJ
ð T = h e – ha = 23 °C = 23 K
c=
B1 Elektrische Energie wird in innere Energie des Wassers umgewan­
delt. E
m· T
spezifische Wärmekapazität
ð E 4,7 J
W
Q = E = c ·m · T
m=
E
c· T
T=
E
c ·m
B2 Eine Gleichung wird umgestellt.
Wasser (Masse m)
erhöht seine Temperatur um ðT
An einem heißen Sommertag am Strand ver­
brennt man sich im Sand fast die Füße und sucht im Wasser Kühlung. Dabei führt doch die Sonne beiden in gleicher Weise Energie zu, 2 000 kJ/(h · m 2 ). Sand und Wasser werden erwärmt, weil Sonnenenergie in innere Energie umgewandelt wird. ð E
Über die Beziehung ð T = __
lässt sich der m · c  
Temperaturanstieg berechnen. Um einen Wert für m zu bekommen, betrachtet man eine Schicht von 1 m 2 Fläche und 0,1 m Tiefe, d. h. ein Volumen V = 0,1 m 3 = 100 dm 3 . Daraus ergibt sich mit m = r · V .
B1 Warum ist der Sand heiß und das Wasser angenehm warm?
5. Schritt: Wir beurteilen unser Ergebnis.
Nicht nur das Wasser, sondern auch das Gefäß und die Umgebung werden erwärmt. Nur ein Teil von ð Ezu
dient zur Erwärmung des Wassers. In der Gleichung haben wir einen zu großen Wert eingesetzt und daher für c W einen zu großen Wert erhalten.
2. Schritt: Wir entwickeln anhand der Glei­
chung eine Idee für ein Experiment.
Energie Q = ðEzu
wird zugeführt
108 kJ
zu
c W = __
m · ð T
 
= __
1 kg · 23 K
 
= _
kg · K  
Kompetenz
ðEUmgebung ðEzu ðEWasser Sand = 160 kg und ð TSand
m
= 12,5 K
m Wasser = 100 kg und ð TSand
= 4,8 K
Man erkennt einen deutlichen Temperatur­
unterschied, der unserer Erfahrung entspricht.
B3 Idee für ein Experiment
kg
dm kg
 r Sand = 1,6 _
3  
dm  rWasser
= 1 _
3  
2000 kJ
pro Stunde
pro m2
 A1 Ein Teil der Sonnenenergie wird an der Oberfläche reflektiert, bei Sand 40 %, bei Wasser 5 %. Berechne erneut die Temperaturände­
rungen.
 A2 Sonnenlicht dringt in Wasser tiefer ein als in Sand. Diskutiere den Einfluss auf die Temperaturänderung. Wasser Dichte r
spezifische Wärme kapazität
kJ
m = 160 kg kJ cS = 1,0 kg · K m = 100 kg kJ cW = 4,19 kg · K 1 m 0,1 m 1 m c Wasser = 4,19 _
kg · K
 
kJ
cSand
= 1,0 _
kg · K
 
Die Sonne liefert
kJ
h · m ð E = 2 000 _
2  
1 m B2 Sonnenenergie wird übertragen und in innere Energie umgewandelt.
Gefäß 3. Schritt: Wir realisieren das Experiment und ermitteln die Messwerte.
ðEGefäß B4 Übertragungswege der Energie
den Schritten 1, 2 und 3.
Zum heutigen Wohnkomfort gehört eine Zen­
tralheizung. Abbildung B3 zeigt das Funktions­
prinzip, das Energieflussdiagramm B4 Energie­
umwandlung und ­übertragung. In den Heizun­
gen wird Wasser verwendet. Es ist deswegen gut geeignet, weil seine spezifische Wärme­
kapazität im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten groß ist (Wasser 4,19 kJ/kg · K , Öl 2 kJ/kg · K). Die Flüssigkeitsmenge, die erforderlich ist, um die Energie 1 kJ in das Wohnzimmer zu trans­
portieren lässt sich berechnen. Wir nehmen an, dass sich bei der Energie­übertragung die Temperatur der Flüssigkeit um 5 °C erniedrigt. Dann gilt
 A2 Beschreibe ð Eab
und ð Ezu
durch Glei­
m Wasser = ___
4,19 kJ/(kg · K) · 5 K
 
 
= 0,047 kg
Spezifische Wärmkapazität von Eisen
1 Wir legen ein Stück Eisen in heißes Wasser mit der Temperatur hE,1
.
2 Wir nehmen das Eisen heraus und legen es in kaltes Wasser der Temperatur h W (O B5a).
3 Wir warten und messen die Wassertempera­
tur hE,2
, wenn sie nicht mehr steigt (O B5b).
a)
hW
hE,1
4 Wir messen die Masse des Eisens mEisen
und die des kalten Wassers m W . Wir entnehmen einer Tabelle den Wert c W für Wasser.
5 Aus dem Prinzip von der Erhaltung der Energie ð E ab = ð Ezu
ergibt sich:
cW
· mW
· ( hE,2
– hW
)
c Eisen = ___
m · ( h  
 
– h )
Eisen
b)
hE,2
hE,2
E,1
E,2
 A1 Beschreibe die Energieübertragungen in chungen und leite die Gleichung für cEisen
her.
 A3 Berechne cEisen
aus den Werten:
B5 Heißes Eisen in kaltem Wasser (a), warmes Eisen in warmem Wasser (b)
36 Energieübertragung
Die Warmwasserheizung
mEisen
= 75 g, mW
= 60 g, hE,1
= 70 °C, hW
= 19 °C, E,1 =25 °C
h
Exkurs
Heizkörper
Ausgleichsgefäß
Kessel
Brenner
Pumpe
1 kJ
B3 Die Zentralheizung
1 kJ
m Öl = ___
2,0 kJ/(kg · K) · 5 K
 
 
= 0,1 kg
 A1 Verfasse einen Text, in dem du die Funk­
tion der Zentralheizung erläuterst.
Echemische
Brenner Einnere
Kessel
Einnere
Heiz­
körper
Einnere
Raum­
luft
B4 Energieflussdiagramm zur Zentralheizung
Energieübertragung 37