Aufgaben Entropie 2

Aufgaben
Entropie2
Europa-GymnasiumWörth
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3Wärmetransporte
AusWikipedia:
Es gibt drei Arten von Wärmetransportvorgängen: Wärmeleitung, Konvektion
und Wärmestrahlung. Unter Wärmeleitung wird in der Physik der Wärmefluss
infolgeeinesTemperaturunterschiedesverstanden,KonvektionistdasMitführendurchströmendeFlüssigkeitenoderGase,Wärmestrahlungistelektromagnetische
Strahlung.
Aufga
ben
3.1Einleitung
1.
2.
3.
Untersuche,obindenfolgendenalltagssprachlichenSätzenvonderEntropieodervonderTemperaturdieRedeist.
a) Die Wärme geht von der Herdplatte in den Topf. Im Topf wird das
Wasserwarm.
b) DeinKaffeeistheißeralsmeiner!
c) WennichdieWärmflascheanmeineFüßepacke,gehtdieWärmein
meineFüße.
3
DieLuftineinemZimmerAvon75m RauminhalthateineTemperatur
von25°C.DieLuftineinemanderenZimmerBmiteinemRauminhaltvon
3
60 m hat eine Temperatur von 18°C. Welches Zimmer enthält mehr Entropie?
VordirliegeneinkleinerheißerMetallklotzundeingroßerkühler.
a) Kannstdusagen,welchervonbeidenmehrEntropieenthält?
b) DubringstdieKlötzemiteinanderinKontakt.WaspassiertmitTemperaturundEntropie?
c) WelcherKlotzenthältamEndemehrEntropie?
4.
Analogien: In dieser
Aufgabe wird untersucht,obmanfüran-
dereStrömeähnliche
Merksätzewiefürdie
Entropieformulieren
kann.
a) Luftströme können untersucht
werden, indem
man zwei luftgefüllte Reifen über
einen Schlauch
verbindet. WelcheGrößeisthier
die „Antriebsgröße“? Formuliere
einenMerksatz.
b) UmdiesesPrinzip
bei Impulsströmen zu untersuchen, betrachtet
maneinExperi-
mentaufder
3-3ZuAufgabe4
Luftkissenfahrbahn,beidemein
schnellerWagenaufeinenlangsamenWagenauffährtunddiebeiden
nach dem Stoß zusammenhängen. Von wo nach wo strömt der Impuls?FormuliereeinenMerksatz.
c) Aus dem letzten Jahr kennst du auch Elektrizitätsströme. Wodurch
werden elektrische Ströme angetrieben? Formuliere einen Merksatz.
Aufgaben3.2Wärmepumpen
1.
2.
3.
4.
DieLuftimKühlschrankhatdieTemperatur3°C.DieKühlschlangenhaben
dieTemperatur–2°C.JetztstellstdueineCola-FlascheindenKühlschrank.
a) FließtdieEntropievonselbstausderCola-FlascheindieLuft?Begründe. Was passiert mit der Cola-Flasche, wenn Entropie aus ihr heraus
fließt?
b) Fließt die Entropie von selbst aus der Luft in die Kühlschlange? Begründe.
c) Fließt die Entropie von selbst aus der Kühlschlange in die
RohrschlangeaufderRückseitedesKühlschranks?Begründe.
UntersuchedenKühlschrankbeieuchzuHause.SuchedieWärmepumpe,
den Eingang und den Ausgang für die Entropie. Halte eine Hand an die
RohrschlangendesEntropieausgangs.
Erläutere, wieso man Wärmepumpen sowohl zum Kühlen als auch zum
Heizenbenutzenkann.
Recherchiere, welche Entropiequellen für eine Wärmepumpenheizung
einesHausesbenutztwerdenkönnen.
Aufgaben3.3Entropieerzeugung
1.
An eine Batterie ist eine Lampe angeschlossen. Die Lampe leuchtet, und
die Batterie wird langsam leer. Schildere den hierzu umgekehrten
Vorgang.(Nimmdazuan,esseimöglich,Entropiezuvernichten.)
2.
Untersuche eure Heizung zu Hause. Wird die Entropie mit einer WärmepumpeinsHausbefördertoderneuerzeugt?
3.
BeschreibeeinenreversiblenVorgangundbegründe,warumdieserreversibelist.
4.
BeschreibeeinenirreversiblenVorgangundbegründe,warumdieserirreversibelist.
5.
Eine Rad fahrende Person bremst. Was würde im Einzelnen passieren,
wenn der Vorgang rückwärts abliefe? (Nimm an, Entropie dürfte
vernichtetwerden.)
Aufgaben3.4EntropiestromstärkeundWärmewiderstand
1.
Bei einem Heizkörper der ZentralheizungsolldieEntropiemöglichst
leicht vom Wasser im Innern des
Heizkörpersnachaußengelangen.
Durch welche Maßnahmen wird
dieserreicht?
2.
DasButtermesserausAbbildung318 geht auch zügig durch Eis.
Kannstdudaserklären?
3-18Buttermes
3.NennedreiGegenstände,beidenenmananeinerguten
Wärmeleitung,alsoaneinemgeringenWärmewiderstand
interessiertist.DurchwelcheMaßnahmenwirddieseerreicht?
4.NennedreiGegenstände,beidenenmananeinemhohenWärmewider-
standinteressiertist.DurchwelcheMaßnahmenwirddieserreicht?
5.InderSaunaistMetallschmuckmanchmalunangenehm.EinRing,
dersichständigamFingerbefindetistunproblematisch,abereine
herabbaumelndeHalskettekannzumProblemwerden.Erläutere.
6. Recherchiere, wie bei Fenstern in Wohnhäusern eine möglichst
gute
Wärmedämmungerzieltwird.
Aufgaben3.5Entropietransporte
1.IndemExperimentinAbbildung3-24
wirdeineGlasscheibezwischen
WärmequelleundThermosäulegebracht.DerAusschlagdesZeigers
gehtdabeideutlichzurück.InterpretieredieBeobachtung.
2.Beschreibe,aufwelchenWegenein
HausWärmeverliert.WelcheVerlusteberuhenaufWärmeleitung,welcheaufKonvektion?
3.
4.
5.
3-24ThermosäulemitGlasscheibe
EinGewächshauswirdgenutzt,um
Pflanzenzukultivieren.AußerhalbdergeeignetenJahreszeitoderderklimatischen Region kann damit das Wachstum von Pflanzen ermöglicht
werden. Erläutere die Funktionsweise. Wie kommt die Entropie hinein?
WiewirdEntropieverlustverhindert?
Beschreibe den Weg der Entropie
vom Innern eines Automotors bis zur
Um-gebungsluft. Auf welchen Teilen
des Weges fließt die Entropie auf
GrundeinerTemperaturdifferenz,auf
wel-chenTeilenfließtsiekonvektiv?
Recherchiere,waseine„Heatpipe“ist
undwiesiefunktioniert.
3-25Gewächshaus
Aufgaben3.6EntropiestromundEnergiestrom
1. Zeichne die Energieflussdiagramme eines Holzofens, eines Kernreaktors
und
einesBügeleisens
2. Ein Haus, das mit einer Ölheizung auf eine Temperatur von 20°C geheizt
wird,
Ct
hateinenWärmeverlustvon35 s.WiehochistderEnergieverbrauchder
Heizung?
3.Recherchiere,wasderEnergieverbrauchausAufgabe1beimderzeitigen
4.DerKühlereinesAutos,dessenTemperatur90°Cbeträgt,gibtproSekunde
60CtandieLuftab.WiegroßistderEnergiestrom,derausdemKühlerin
dieLuftfließt?
5. Die Temperatur an der Unterseite eines 1000-W-Bügeleisens beträgt
300°C.
WievielEntropiekommtproSekundeausdemBügeleisen?
6.EinSchwimmbadwirdmiteinerWärmepumpegeheizt.DieWärmepumpe
nimmtdieEntropieauseinemvorbeifließendenBach.DieTemperaturdes
WassersimBachist15°C,diedesWassersimSchwimmbad25°C.Das
Wasser im Schwimmbecken verliert ständig Entropie an die Umgebung,
und
zwarproSekunde500Ct.DamitesseineTemperaturbehält,mussdie
WärmepumpedieseEntropieständignachliefern.WiehochistderEner-
gieverbrauchderWärmepumpe?
7.EinHauswirdmiteinerWärmepumpegeheizt.
a) DieAußentemperaturbeträgt0°C,dieTemperaturimHaus25°C.Die
Ct
Wärmepumpefördert30 s.WiehochistihrEnergieverbrauch?
b) DasselbeHauswirdmiteinergewöhnlichenElektroheizunggeheizt,d.
Ct
h.die30 swerdennichtvondraußenhineingepumpt,sondernim
Hauserzeugt.WiehochistderEnergieverbrauch?
8.
EinHauswirdmit20kWgeheizt.DieInnentemperaturist20°C,dieAußentemperatur–5°C.
a) Wie stark ist der nach draußen fließende Entropiestrom an der InnenwanddesHauses?
b) WiestarkisteranderAußenwand?
c)
9.
WievielneueEntropiewirdproSekundebeimHerausfließenderEntropieerzeugt?
DerHeizdrahteiner1000-W-KochplattehateineTemperaturvon1000K.
a) WievielEntropiewirdproSekundeimHeizdrahterzeugt?
b) AufderKochplattestehteinTopfmitWasser;dieWassertemperatur
beträgt373K.WievielEntropiekommtproSekundeimWasseran?
c) Wie viel Entropie wird auf dem Weg vom Heizdraht zum Wasser erzeugt?
Aufgaben3.7Wärmemotoren
1.
2.
3.
Ct
DurcheinenWärmemotorfließteinEntropiestromvon100 s.DieTemperaturamEingangist150°C,amAusgang50°C.WievielEnergiegibtder
MotorproSekundemitdemEnergieträgerDrehimpulsab?
Ein Kraftwerk gibt mit der Elektrizität einen Energiestrom von 1000 MW
ab. Die Temperatur des Dampfes am Eingang der Turbine beträgt 750 K,
amAusgang310K.WiestarkistderEntropiestrom,dermitdemKühlwasser wegfließt? Wie stark ist der Energiestrom, den dieser Entropiestrom
trägt?
ÜberlegeMöglichkeiten,wiemaninderNaturvorkommendeEntropieauf
hoher Temperatur ausnutzen könnte. Diskutiere auch Möglichkeiten, die
dirunrealistischerscheinen.
Aufgaben3.8EnergieverlustundWirkungsgrad
1.DerMotoreinesAutosgibtüberdieMotorwelle20kWab.BeidenRädern
kommen nur noch 18 kW an, denn im Getriebe und in den Lagern wird
Entropie
erzeugt(Reibung).WiegroßistderprozentualeVerlust?
2.Recherchiere,waseineBrennstoffzelleistundstelledieFunktionineinem
Energieflussdiagrammdar.
3.EinElektromotor,dessenVerlust40%beträgt,verbraucht10W.Wiehochist
seinWirkungsgrad?WievielEnergiegibterproSekundemitdemDrehimpuls
ab?WievielEntropieerzeugterproSekunde?(DieUmgebungstemperatur
beträgt300K.)
4.EinGenerator,dereinenWirkungsgradvon92%hat,gibtmitderElektrizität
einenEnergiestromderStärke46kWab.WiestarkistderEnergiestrom,derüber
die Welle in den Generator hineinfließt? Wie stark ist der Verlustenergiestrom?
Wie
starkistderStromdererzeugtenEntropie?(DieUmgebungstemperaturbeträgt
300K.)