4. Kontrolle Physik Klasse 8 Grundgleichung der

4. Kontrolle Physik Klasse 8
Grundgleichung der Wärmelehre
1. Die Grundgleichung der Wärmelehre lautet:
Q = m⋅ c ⋅ ∆ ϑ
Beschreibe ein Experiment, mit dem der Zusammenhang zwischen der zugeführten
Wärme und der Temperaturänderung nachgewiesen werden kann. (5)
(konst. Größen, Messgrößen, Messung, Auswertung)
2. Als Tom im Sommer nach zwei sehr kühlen Tagen wieder ins Schwimmbad kommt,
wundert er sich, dass das Wasser noch fast genau so warm ist wie vor den beiden Tagen.
Welche physikalische Begründung gibt es dafür? (2)
3. Welche Wärme ist notwendig, um die 150 Liter Wasser für eine Badewanne von 14°C
auf 38°C zu erwärmen?
Was kostet der Spaß, wenn man für 1000 kJ Energie etwa 5 Cent an das Gaswerk zu
zahlen hat? (5)
4. Ein elektrischer Wasserkocher hat eine Leistung von 2000 W. 70% der Energie, die der
Kocher abgibt, werden an der Wasser abgegeben, der Rest geht verloren.
Wie lange dauert es, um einen halber Liter Wasser von 20°C auf 95°C zu erhitzen? (5)
5. Auf dem Tisch stehen zwei Tassen, ein aus Porzellan und die andere aus Stahl
(Edelstahlbecher). Beide Tassen haben die gleiche Masse und die gleiche Temperatur.
Jetzt wird aus einer Kanne in jede Tasse die gleiche Menge heißer Tee gegossen. Nach
einer kurzen Zeit prüft man die Temperatur des Tees. Welche Aussage ist richtig? (1)
a) Der Tee in der Porzellantasse ist kühler.
b) Der Tee hat in beiden Tassen die gleiche Temperatur.
c) Der Tee in dem Edelstahlbecher ist kühler.
Lösungen:
1. konstante Größen: Masse und spez. Wärmekapazität
Messgrößen: Temperatur, Zeit
Messung: Es wird eine bestimmte Menge Wasser erhitzt. Damit sind Masse und Stoff konstant.
Aus der Zeit lässt sich über die Leistung der Wärmequelle die zugeführte Wärme berechnen:
Q = P⋅ t
Es werden mehrere Messung vorgenommen.
Die Wärme und die Temperaturänderung werden in ein Diagramm eingetragen. Die Proportionalität sollte
erkennbar sein.
2. Wasser hat eine sehr große spezifische Wärmekapazität. Es kann also viel thermische Energie
aufnehmen und speichern.
Zwei kalte Tage reichen nicht aus, um einem Schwimmbecken so viel Wärme zu entziehen, dass es deutlich
kälter wird.
Genau so reichen zwei warme Tage nicht aus, um das Schwimmbecken richtig aufzuwärmen.
3. Die notwendige Wärme berechnet sich mit der Grundgleichung der Wärmelehre:
Q = m⋅ c ⋅ ∆ ϑ
Die Masse des Wassers beträgt 150 kg, die Temperaturänderung ist 24 K groß. Für Wasser ist
c = 4,19
kJ
kg ⋅ K
Damit lässt sich die Wärme berechnen:
Q = 150kg ⋅ 4,19
kJ
⋅ 24K
kg ⋅ K
Q = 15 084kJ
Für diese Energie muss man etwa 75 Cent bezahlen.
4.
geg.:
P = 2000 W
η = 70%
ϑ 1 = 20 ° C
ges.:
t
ϑ 2 = 95 ° C
V = 0,5 l
c = 4,19
Lösung:
kJ
kg ⋅ K
Der Kocher hat einen Wirkungsgrad von 70%. Das heißt, dass von den 2000 W nur 1400 W
effektiv zum Erwärmen des Wassers genutzt werden.
1400 W bedeuten, dass dem Wasser pro Sekunde 1400 J Wärme zugeführt werden.
Wie viel Energie ist notwendig, um das Wasser auf die geforderte Temperatur zu erwärmen.
Dazu benutzt man die Grundgleichung der Wärmelehre:
Q = m⋅ c ⋅ ∆ ϑ
Die Masse von einem halben Liter Wasser ist 0,5 kg. Damit kann die Wärme berechnet werden:
Q = 0,5kg ⋅ 4,19
kJ
⋅ 75K
kg ⋅ K
Q = 157,1kJ
Dem Wasser werden pro Sekunde 1,4 kJ zugeführt. Für die erforderlichen 157,1 kJ sind
demnach:
157,1
= 112
1,4
Antwort:
Sekunden notwendig.
Das sind 1,9 Minuten.
Der halbe Liter Wasser kocht nach 1,9 Minuten.
5. a) ist richtig.
Porzellan hat eine fast doppelt so große spezifische Wärmekapazität wie Stahl. Damit kann das Porzellan
deutlich mehr Wärme aufnehmen und kühlt den Tee stärker ab.