Thermodynamik - deutsch (PDF 4.72 MB)

Thermodynamik
PROJEKT WISSENSCHAFT UND TECHNIK MACHEN UNS SPASS! WURDE FINANZIELL UNTERSTÜTZT:
Das Projektziel ist es mittels bildender (Bildungsprogramme, Materialien)
und lancierender („wissenschaftliche“ Road-Show) Instrumente und
dem grenzüberschreitenden motivierenden Wettbewerb das Interesse der
Schüler und Studenten für Technik
und Wissenschaft zu steigern sowie zu
einer wechselseitigen Kommunikation
der Bildungseinrichtungen in diesem Gebiet beizutragen, d.h. die
Beziehungen zwischen den einzelnen Schulstufen und weiterer
Bildungssubjekte innerhalb der Region
Ziel 3 zu stärken.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
2
Inhalt
3
Die Theorie
3
Thermodynamik - Grundlagen
3
Stoffstruktur, Energie
5
Thermodynamische Prozesse
7
Erstes thermodynamisches Gesetz
7
Zweites thermodynamisches Gesetz
7
Temperaturausdehnung
7
Zustandsgleichung
7
Prozesse, die im idealen Gas stattfinden:
8
Abkürzungenverzeichnis
8
Literaturverzeichnis
9
Versuch Nr. 1: Sieden in Papier
9
Versuch Nr. 2: Regelation von Eis
10
Versuch Nr. 3: Unterkühlung von Wasser
11
Versuch Nr. 4: Kochen von Wasser – energetischer Aufwand
12
Versuch Nr. 5: Gekühlte Getränke
13
Versuch Nr. 6: Genauigkeit von Wärme im Wasser
14
Test 1
16
Test 2
18
Test 3
Test 1:
1a), 2d), 3b), 4d), 5c), 6d), 7c), 8b), 9b), 10a), 11a), 12d)
Test 2:
1a), 2b), 3d), 4d), 5a), 6b), 7b), 8d), 9a), 10c), 11a), 12b)
Test 3:
1c), 2b), 3d), 4b), 5d), 6d)
Kuvert:
Boiling Water,
Scott Akerman,
licence CC BY 2.0,
www.flickr.com,
geändert
die Temperatur 0K (der absolute Nullpunkt). Dieser
Zustand kann niemals auftreten, bei der Temperatur
Die Theorie
0K kommt die Wärmebewegung der Partikel zum
Stehen. Die Celsiustemperatur t geht aus der Temperatur des Tauens von Eis unter einem normalen
Druck von 1013,25 hPa (0°C) hervor. Die Temperatur
100°C entspricht kochendem Wasser unter normalem Druck. Im Gegensatz zur thermodynamischen
Skala hat die Celsiusskala auch negative Werte. Die
Temperatur ist in beiden Skalen gleich – der Temperaturanstieg um 1°C = Temperaturanstieg um 1K. Die
Messung der Temperatur wird mit einem Thermometer durchgeführt.
THERMODYNAMIK
- GRUNDLAGEN
iche aufteilen:
Die Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der
•
Die Thermodynamik lässt sich auf mehrere Bere-
sung von Temperatur und den verwendeten
sich mit Stoffen und deren Eigenschaften in Abhän-
Messmethoden.
gigkeit von Temperatur befasst; mit der Messung von
•
Temperatur, Wärme und Wärmeprozessen.
Kalorimetrie – befasst sich mit dem Wärmeinhalt von Stoffen.
Wärme (Q) ist ein Teil der inneren Energie, die bei
einem Wärmeaustausch übergeben wird – das Sys-
Thermometrie – befasst sich mit der Mes-
•
Kinetische Theorie der Stoffe – befasst sich
tem nimmt sie an oder gibt sie beim Antreffen eines
mit der Beziehung zwischen der Molekularstruk-
anderen Systems mit einer anderen Temperatur wie-
tur von Stoffen und deren Wärmeverhalten. Sie
der ab. Diese Energie hat weder den Charakter von
knüpft an die Molekularphysik an und nutzt die
Arbeit noch von chemischer Arbeit. Es handelt sich
Wahrscheinlichkeitsmethode und Statistik.
um eine physikalische Prozessgröße – sie beschreibt einen thermodynamischen Prozess (Abfolge der
Zustände des Systems). Die Einheit von Wärme ist
Joules.
•
tung von Wärme durch die Umgebung.
•
andere Arten).
sgröße, sie charakterisiert den Wärmezustand von
Nebeneinheit sind Grad Celsius. Die thermodynamische Temperatur T ist eine der Grundgrößen des Systems SI. Die Kelvinskala ist durch den Tripelpunkt
des Wassers 273,16 K (0,01 °C) definiert. Ein Kelvin
ist die Temperatur, die /273,16 der thermodynamischen Temperatur des Trippelpunktes des Wassers
entspricht. Der Trippelpunkt ist ein Zustand während
einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten Druckes, wobei alle drei Aggregatzustände in
Gleichgewicht sind – der feste Stoff, die Flüssigkeit
und das Gas. Die thermodynamische Skala verzeichnet keine negativen Werte. Der Beginn der Skala ist
Thermodynamik – befasst sich mit den Gesetzen der Energieumwandlung (Wärmeenergie in
Die Wärme (T, t) ist eine physikalische ZustandMasse. Die Einheit von Temperatur sind Kelvin, eine
Thermokinetik– befasst sich mit der Verbrei-
STOFFSTRUKTUR, ENERGIE
Stoffe aller Aggregatzustände werden durch Teilchen
gebildet – Atome, Moleküle und Ionen. Die Struktur
der Stoffe ist nicht kontinuierlich, sondern diskret.
Diese Teilchen sind in ständiger Bewegung. Ist der
Körper im Ruhezustand, so überwiegt im jeweiligen Augenblick keine Bewegungsrichtung. Ist der
Körper in Bewegung, so überwiegt die Bewegung in
Richtung des gesamten Körpers. Die ständige Bewegung der Teilchen ist eine Wärmebewegung. Der
Beweis dafür ist zum Beispiel die Brownsche Bewegung (winzige Teilchen wie zum Beispiel Pollenkör-
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
4
ner, die ins Wasser geschüttet werden, bewegen sich.
Aufgrund der Existenz der oben angeführ-
Diese Bewegung ist unter dem Mikroskop sichtbar;
ten Kräfte, schwingen die Teilchen um die gleich-
die Bewegung wird durch den Aufprall von Wasser-
gewichtige Position herum. Bei einer Annäherung
molekülen auf die Teilchen verursacht; die Bewegu-
stoßen sich die Atome ab, wenn sie sich entfernen,
ngsintensität erhöht sich mit der Temperatur, beim
ziehen sie sich an. Jedes Teilchen wird stärkemäßig
absoluten Nullpunkt würde diese Bewegung zum
nur von den Teilchen in seiner Umgebung beeinflusst
Stehen kommen) und Diffusion (spontanes Durch-
(bei Flüssigkeiten handelt es sich um ein Umfeld, das
dringen der Teilchen eines Stoffes zu den Teilchen
in etwa dreimal so groß ist wie der Radius des Teil-
eines anderen Stoffes im Falle, dass die Körper dieser
chens).
Stoffe in gegenseitige Berührung gebracht werden –
Die Energie, die das Teilchen wegen seiner Posi-
zum Beispiel das Auflösen von Zucker in Wasser oder
tion gegenüber den benachbarten Teilchen hat, ist
die Verbreitung eines Duftes). Die Teilchen haben
potentielle Energie. Die Summe der potentiellen
also kinetische Energie.
Gesamtenergie und der kinetischen Energie aller sich
Zwischen den Teilchen wirken anziehende und
bewegender Teilchen nennt man innere Energie des
abstoßende Kräfte, deren Größe von der Entfernung
Körpers oder des Systems mit der Abkürzung U und
zwischen den Teilchen abhängt. Bei kleinen Entfer-
der Einheit Joules. Die innere Energie beeinflusst die
nungen ist die Kraft abstoßend, bei größeren Entfer-
Eigenschaften und den Zustand des Stoffes.
nungen ist sie anziehend. Diese Kraft entsteht durch
Die kinetische Energie der Teilchen steht mit der
die Wechselwirkung positiv aufgeladener Kerne und
Temperatur des Körpers in Zusammenhang. Je höher
negativ aufgeladener Hüllen und gleichzeitig auf-
die Temperatur des Körpers ist, desto größer ist die
grund der Existenz von Gravitationskräften.
Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen bewegen.
Es existiert eine gleichgewichtige Position bei
Die Lageenergie beeinflusst die Festigkeit des Kör-
einer bestimmten Entfernung zwischen den Teilchen.
pers. Je höher die Lageenergie der Teilchen, desto
In dieser ist die Größe der Kraft, mit welcher die Teil-
fester der Körper. Die innere Energie kann auf zwei
chen auf sich wirken, gleich Null. Die Teilchen bewe-
Arten verändert werden:
gen sich um diese gleichgewichtige Position herum.
a) durch die Verrichtung von Arbeit – bei der
Ist die Entfernung zwischen den Teilchen größer als
Verrichtung von Arbeit wirken äußere Kräfte auf
die Entfernung der gleichgewichtigen Position, so
das System und dank deren Wirkung kommt es
wirkt eine anziehende Kraft auf die Teilchen. Diese
zur Veränderung des Volumens oder des Drucks
Kraft wächst anfangs, erreicht aber schon bald ihr
des Systems. Diese Veränderung führt zu einer
Maximum und beginnt dann, sich zu verkleinern.
Veränderung der kinetischen Energie der Ele-
Bei größeren Entfernungen sind die Teilchen so weit
mente.
voneinander entfernt, dass sie aufeinander nicht
abstoßend wirken. Das Atom erscheint in seiner Wirkung als neutral und die Teilchen ziehen sich durch
die Gravitationskraft an. Bei kleineren Entfernungen, als es die gleichgewichtige Position ist, wirkt
eine abstoßende Kraft auf die Teilchen. Diese Kraft
steigt bereits bei einer geringen Annäherung steil an.
Deshalb können sich Teilchen unter normalen Bedingungen einander annähern, sich jedoch nicht gegenseitig berühren.
b) durch Wärmeaustausch – ändert sich die
Temperatur des Systems, kommt es zu einer
Änderung der kinetischen Energie der Teilchen.
Feste Stoffe – die Teilchen in festen Stoffen haben
eine geringe kinetische Energie, sie bewegen sich nur
geringfügig um den gleichgewichtigen Punkt. Bereits
bei einem geringen Ausschlag von der gleichgewichtigen Position weg, erhalten die Teilchen eine große
potentielle Energie. Bei festen Stoffen überwiegt also
die potenzielle Energie deutlich gegenüber der kinetischen.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
5
Flüssigkeiten – im Vergleich zu festen Stoffen
Wärmeaustausch verändern. Wenn der Körper die
schwingen die Flüssigkeitsteilchen und bewegen
Arbeit verrichtet, der auf das System wirkt, so wird
sich auch in andere gleichgewichtige Positionen. Sie
die Arbeit dem System hinzugefügt und sein Wert ist
können sich aber nicht sehr weit von diesen Positio-
positiv. Wenn das System die Arbeit verrichtet, wird
nen entfernen. Deshalb ist die Lageenergie bei Flüssi-
dem System Arbeit weggenommen und sein Wert ist
gkeiten höher als die kinetische Energie.
negativ. Der Wärmeaustausch ist die Übergabe inne-
Gase – die Teilchen in Gasen sind sehr weit
rer Energie ohne die Verrichtung von Arbeit. Stets gilt,
von einander entfernt und bewegen sich mit großer
dass der wärmere Körper Energie an den Körper mit
Geschwindigkeit. Wir müssen uns also nicht mit der
der niedrigeren Temperatur abgibt. Beim Wärmeau-
gleichwichtigen Position befassen. Die kinetische
stausch übergeben die Körper oder Systeme einander
Energie der Teilchen bei Gasen überwiegt deutlich
Wärme. Wenn der Körper die Wärme annimmt, gilt
gegenüber der Lageenergie. Die Gesamtenergie des
dessen Wert als positiv. Im Falle der Wärmeabgabe
Körpers (des Systems) ist gleich der Summe ihrer
gilt dieser Wert als negativ. Die Menge der übergebe-
mechanischen und ihrer inneren Energie. Diese
nen Wärme ist proportional zum Gewicht des Kör-
Gesamtenergie des Systems ändert sich nicht.
pers und zur Temperaturveränderung des Körpers
THERMODYNAMISCHE PROZESSE
(Im Falle, dass sich der Aggregatzustand des Stoffes
nicht verändert). Die Wärmemenge, die dem Körper
Die Körper und Systeme befinden sich in unterschied-
hinzugefügt werden muss, damit sich die Tempera-
lichen Zuständen – sie haben einen unterschiedlichen
tur des Körpers um 1°C erhöht (oder 1K), nennt man
Aggregatzustand, Druck, ein unterschiedliches Volu-
Wärmekapazität. Sie wird mit C gekennzeichnet und
men oder eine andere Temperatur. Diese Zustände
ihre Einheit ist J/K (Joule pro Kelvin).
werden durch Zustandsgrößen beschrieben. Bei der
Interaktion mit dem Umfeld (Energieaustausch,
Krafteinwirkung) kommt es zu einer Prozess- oder
Zustandsänderung.
Die Wärmemenge, die wir dem Körper mit einem
Wenn es zu einem Energie- oder Teilchenaustausch kommt, so nennt man das System isoliert.
Gewicht von einem Kilogramm hinzufügen müssen,
damit sich dessen Temperatur um 1°C erhöht (oder
Wenn sich die Werte der Zustandsgrößen nicht
1K) erhöht, nennt sich gemessene Wärmekapazität.
ändern, so befindet sich das System in einem so
Sie wird mit c gekennzeichnet und hat die Einheit
j
genannten gleichgewichtigen Zustand. In diesen
(Joule pro Kilogramm Kelvin).
Zustand gelangt es in dem Falle, in dem die äußeren
Bedingungen über einen ausreichend langen Zeitraum hinweg unverändert bleiben.
Der Übergang in den gleichgewichtigen Zustand
ist spontan.
In der folgenden Tabelle sind Beispiele für gemessene
Wärmekapazität für unterschiedliche Materialien
Jede Veränderung des Systemzustandes, also der
angeführt.
Prozess, bei dem sich die Zustandsgrößen verändern, nennt man einen thermodynamischen Prozess.
Im Verlauf eines thermodynamischen Prozesses
gemessene Wärmekapazität
j
Stoff
(
Zu Beginn des Prozesses hat das System die innere
Wasser
4 180
Energie U1, beim finalen Zustand die innere Energie
Luft (0˚C)
1 003
U2. Wie oben erwähnt, kann sich die innere Energie
Eis
2 090
kommt es zu einer Veränderung der inneren Energie.
)
durch die Verrichtung von Arbeit oder durch einen
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
6
Öl
Der Wärmeaustausch kann auf folgende Weisen ver-
2 000
laufen:
Trockenes Holz (0˚C) 1 450
a) Wärmeleitung
(Konduktion) – diese Wär-
Eisen
450
Kupfer
383
Aluminium
896
Flüssigkeiten kommt es zur Wärmeübertragung
Gold
129
durch die Wärmeleitung, aber es überwiegen hier
Silber
235
andere Weisen. Das Prinzip der Wärmeleitung –
meübertragungsweise
wird
überwiegend
bei
festen Stoffen angewandt. Auch bei Gasen und
Die Stoffteilchen im Bereich mit einer höheren
Damit sich ein Köper vom Gewicht m, das aus dem
Stoff z mit einer gemessenen Wärmekapazität c hergestellt ist um die Temperatur ∆t erwärmt, müssen
wir diesem die Wärme Q beigeben. Es gilt folgende
Beziehung.
Energie übergeben einen Teil ihrer Bewegungsenergie mittels gegenseitiger Zusammenstöße
an Teilchen im Bereich niedrigerer Energie.
Während des Austauschs kommt es zu keiner
Verlagerung der Teilchen, diese schwingen lediglich um die gleichgewichtigen Positionen herum.
Q = m ∙ c ∙ ∆t
Die Schnelligkeit der Wärmeleitung wird durch
Für den Wärmeaustausch zwischen Körpern gilt die
dieser Größe teilen wir die Stoffe in Wärmeleiter
kalorimetrische Grundgleichung. Beide Körper werden am Ende des Wärmeaustauschs die gleiche Temperatur t haben und sie werden sich in gleichgewichtigem Zustand befinden. Körper 1 nimmt Wärme an,
Körper 2 gibt Wärme ab. Die kalorimetrische Grundgleichung hat dann (bei der Vernachlässigung von
Verlusten) folgendes Aussehen:
(hohe Geschwindigkeit der Wärmeleitung und ein
großer Koeffizient der Leitfähigkeit von Wärme)
und Wärmeisolatoren (niedrige Geschwindigkeit
der Wärmeleitung und ein niedriger Koeffizient
der Leitfähigkeit von Wärme).
b) Wärmeströmung (Konvektion) – diese Art der
Wärmeübertragung wird insbesondere bei Flüssi-
Q1 angenommen = Q2 abgegeben
gkeiten und Gasen angewandt, nicht jedoch bei
m1 ∙ c1 ∙ (t - t1) = m2 ∙ c2 ∙ (t2 – t)
gung kommt es zur Bewegung von Masse unter-
festen Stoffen. Bei dieser Art der Wärmeübertra-
Eine kompliziertere Situation entsteht in dem Falle,
dass es im Verlauf des Wärmeaustauschs zu einer
Veränderung des Aggregatzustands kommt. In dem
Fall müssen wir in der kalorimetrischen Grundgleichung auch die Schmelz- oder Kondensationstemperatur L berücksichtigen.
Für Eis, das wir in warmes Wasser geben, gilt dieses Aussehen der kalorimetrischen Grundgleichung
Qangenommen = Qabgegeben
schiedlicher Temperatur. Durch die Bewegung der
Masse kommt es zu einer Wechselbewegung der
einzelnen Teile, die eine unterschiedliche Temperatur und somit eine unterschiedliche Dichte der
inneren Energie haben, und dadurch wird Wärme
übertragen. Bei flüssigen Systemen kommt es zu
einer spontanen Strömung – die wärmeren Teile
steigen auf, da die Dichte von Flüssigkeiten und
Gasen in der Regel mit der Temperatur sinkt.
c) Wärmestrahlung – diese Art von Wärmeü-
QErwärmung von Eis auf O°C +LTauen + QErwärmung von Wasser auf die Temperatur T
die Leitfähigkeit von Wärme festgelegt. Gemäß
bertragung braucht kein stoffliches Umfeld, die
Wärme kann sich mithilfe von Wärmestrahlung
= QAbkühlung von warmem Wasser
m1 ∙ cEis∙ (0-t1) + m1∙lt + m1∙ cWasser∙ (t-0) = m2∙cWasser∙(t2-t)
auch durch ein Vakuum übertragen (dies ist im
Falle von Leitung und Strömung nicht möglich).
Die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
7
funktioniert
nach
dem
Prinzip
der
Ener-
gieausstrahlung von der Oberfläche eines Körpers in Form von elektromagnetischer Strahlung.
Die ausgestrahlte Energie hängt von mehreren
Faktoren ab - der Wärme des Körpers, der Farbe
(Wärme wird am meisten von schwarzen Oberflächen, am wenigsten von glänzenden silbernen
Oberflächen ausgestrahlt) sowie der Oberfläche
des Körpers ab.
ERSTES
THERMODYNAMISCHES GESETZ
Formulierung des Gesetzes der Energieerhaltung
Die Gesamtveränderung der inneren Energie des
TEMPERATURAUSDEHNUNG
Die Temperaturausdehnung (oder auch Wärmeausdehnung) ist ein Phänomen, bei welchem sich
die Längenmaße oder der Umfang des Körpers in
Abhängigkeit von der Wärmezulieferung (Aufwärmung) oder der Wärmeentnahme (Abkühlung) des
Körpers verändern. Beim Großteil der Stoffe kommt
es bei der Aufwärmung zu einer Ausdehnung. Die
Stoffmoleküle bewegen sich also schneller und ihre
gleichgewichtigen Flächen sind weiter von einander
entfernt.
Die Wärmeausdehnung gibt die lineare Abhängigkeit der Umfangsänderung des Körpers von der
Temperaturveränderung an.
Systems ΔU ist gleich der Summe der Arbeit W, die
Δx = x0 · γ · Δt
durch die Körper im Umfeld oder das System durch
Bei dieser Formel ist x0 der Ausgangswert der Größe x
vor der Temperaturveränderung, γ ist der Wärmekoeffizient der Dehnbarkeit, der in den Einheiten K-1
angegeben wird.
In der Physik befassen wir uns mit zwei Fällen –
Krafteinwirkung und Wärme Q ausgeübt wird, die
aus dem Umfeld der Körper oder die an die Körper
im Umfeld abgegeben wird.
ΔU = W + Q
der Umfangs- und der Längendehnbarkeit.
Dieses Gesetz besagt, dass die Gesamtenergie des
isolierten Systems zeitlich unveränderbar ist. Die
Energie kann im isolierten System weder entstehen
oder vergehen. Es kann sich allerdings die Energieart ändern (zum Beispiel verändert sich mechanische
Energie in Wärmeenergie).
ZWEITES
THERMODYNAMISCHES GESETZ
ZUSTANDSGLEICHUNG
Die Zustandsgleichung legt die Beziehung zwischen
den einzelnen Zustandsgrößen fest, die das jeweilige
thermodynamische System beschreibt. Die Zustandsgleichung idealer Gase beschreibt die gegenseitige
Abhängigkeit von Zustandsgrößen bei thermodynamischen Prozessen im idealen Gas.
p·V=n·R·T
Es ist nicht möglich, eine periodisch arbeitende Wärmemaschine zu konstruieren, welche nur Wärme von
einem bestimmten Körper (Heizkörper) annehmen
und die gleiche Arbeit verrichten würde (es lässt sich
also kein Perpetuum Mobile der zweiten Art – ein
thermodynamisches also – konstruieren).
Eine andere Formulierung dieses Gesetzes lautet:
Wärme kann beim Kontakt zweier Körper unterschiedlicher Temperaturen spontan vom kälteren
Körper auf den wärmeren übergehen.
In dieser Gleichung ist P der Gasdruck, V der Gasumfang, n die Stoffmenge, R die molare Gaskonstante
und T die thermodynamische Temperatur. Die oben
angeführte Gleichung kann nur in einer relativ engen
Spanne von Temperatur und Druck genutzt werden.
Für andere Bedingungen (zum Beispiel hohen Druck)
existieren weitere Formen der Zustandsgleichung,
deren Lösung ist jedoch weitaus komplizierter. Die
Zustandsgleichung idealer Gase ist lediglich bei
niedrigem Druck und höherer Temperatur anwendbar. Diese Situation entspricht verdünntem Gas.
In diesem Falle kann die Zustandsgleichung idealer
Gase mit ausreichender Genauigkeit angewandt werden.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
8
PROZESSE, DIE IM
IDEALEN GAS STATTFINDEN:
a) Isothermischer Prozess – Prozess im idealen
Gas unter konstanter Temperatur
Für diesen Prozess gilt das Boyll-Mariottsche
Gesetz, welches besagt, dass das Produkt von
Druck und Umfang konstant ist.
p · V = konst.
b) Isochorischer Prozess – Prozess im idealen
Gas, der Umfang des Systems ist konstant.
Für diesen Prozess gilt das Gesetz von Char-
n – Stoffmenge [mol]
p – Druck [Pa]
Q – Wärme [J]
R – Gaskonstante [JK-1mol-1]
S –Entropie [JK-1]
T –Thermodynamische Temperatur [K]
t – Temperatur [°C]
U – Innere Energie [J]
V – Volumen [m3]
W – Arbeit [J]
X – Länge (Körpermaß) [m]
X0 – Anfangskörpermaß [m]
LITERATURVERZEICHNIS
1) DROZD, Zdeněk a Jitka BROCKMEYEROVÁ.
les, welches besagt, dass der Anteil von Druck und
Pokusy z volné ruky. 1. vyd. Praha: Prometheus,
Temperatur konstant ist.
2003, 148 s. ISBN 80-7196-268-6.
2) Dílny Heuréky 2005: sborník konference projektu
= konst.
Heuréka : [Náchod, 23.-25.9.2005. 1. vyd. Editor
c) Isobarischer Prozess – Prozess im idealen
Leoš Dvořák. Praha: Prometheus, 2006, 148 s.
ISBN 80-7196-334-8.
Gas bei konstantem Druck.
Für diesen Prozess gilt das Gesetz von Gay
3) KEPKOVÁ, Jaroslava, Josef VESELÝ a Jitka SOU-
Lussac, welches besagt, dass der Anteil des
KUPOVÁ. Enviroexperiment - fyzika pro 2. stu-
Umfangs und der Temperatur konstant ist.
peň ZŠ. 1. vyd. V Plzni: Západočeská univerzita,
2012, 75 s. ISBN 978-80-261-0180-2.
= konst.
4) Fyzikální praktikum – elektronická podpora
d)Der adiabatische Prozess ist ein Prozess, bei
welchem es zu keinem Wärmeaustausch mit dem
Umfeld kommt. Das System nimmt Wärme weder
výuky [cit 15.1.2015]
Dostupné z http://home.pf.jcu.cz/~kriz/
5) Radek Jandora / Maturitní otázky do fyziky [cit.
auf, noch gibt es sie ab. Für den adiabatischen
15.1.2015] Erreichbar unter:
Prozess gilt das Poisson-Gesetz.
http://radek.jandora.sweb.cz/fyzika.htm
6) Fyzika – priklady.eu – Zbierka úloh z matematiky,
p · V κ = konst.
fyziky a chémie pro stredné školy [cit. 20.1.2015]
κ ist die Poissonsche Konstante.
Erreichbar unter:
http://www.priklady.eu/sk/Fyzika.alej
ABKÜRZUNGENVERZEICHNIS
a – Temperaturleitfähigkeit [m2s-1]
c – Spezifische Wärmekapazität [Jkg-1K-1]
C –Wärmekapazität [JK-1]
γ – Ausdehnungskoeffizient [K-1]
Δ – Wertenunsterschied der physikalischen Größe
κ – Isentropenexponent [-]
l – Verdampfungswärme [Jkg-1]
L – Latente Wärme [J]
m – Gewicht [kg]
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
7) O škole – testy- fyzika [cit. 20.1.2015]
Erreichbar unter: http://www.oskole.sk/?skola=zakladna-skola&id_cat=35
8) Techmania – edutorium [cit. 15.1.2015]
Erreichbar unter:
http://www.techmania.cz/edutorium/
FINANZIERT AUS PROGRAM
9
VERSUCH NR. 1:
VERSUCH NR. 2:
Sieden in Papier
Regelation
von Eis
Hilfsmittel: Papiergefäß (Tüte, Schachtel), Spiritusbrenner,
Ständer, Zündhölzer
Hilfsmittel: PET-Flasche, Saite, Eimer, zwei Ständer
Das Papiergefäß füllen wir mit Wasser und befesti-
Unter dem Begriff Regelation verstehen wir das
gen es am Ständer über dem Spiritusbrenner. Wir
abwechselnde Auftauen und Einfrieren. Dieser Ver-
zünden den Brenner an und beobachten den Behälter
such ist für den Beginn der Schulstunde geeignet,
mit Wasser.
da mit einem längeren zeitlichen Verlauf zu rechnen
Wenn das Papiergefäß kein Wasser beinhalten
ist. Wenn wir Eis im Gefrierschrank mit einer Tem-
würde, würde es fast sofort anfangen zu brennen.
peratur von unter -15°C vorbereiten, ist es gut, die
Luft ist ein schlechter Wärmeleiter und reicht für
Flasche mit dem Eis etwa 20 Minuten vor Beginn der
die Ableitung von Wärme aus dem Gefäß nicht. Das
Schulstunde herauszunehmen.
Die PET-Flasche mit einem Umfang von 1,5l füllen
Papier erwärmt sich also schnell und seine Tempera-
wir mit Wasser und geben sie in den Gefrierschrank.
tur übersteigt schon bald die Zündtemperatur.
Wasser ist ein etwa 30x besserer Wärmeleiter als
Nach dem Gefrieren befreien wir das Eis von der
Luft. Wenn wir Wasser in das Gefäß geben, wird es
Flasche (wir schneiden diese auf und entfernen sie).
dem Gefäß Wärme entnehmen und erreicht erst nach
Das Eis befestigen wir anschließend an den beiden
einer bestimmten Zeit die Siedetemperatur. Die Tem-
Ständern. Anstelle von Ständern können zwei Stühle
peratur des Siedens ist geringer als der Brennpunkt
oder zwei Tische verwendet werden, die sich in der
von Papier (185°C). Nach Erreichen der Siedetem-
Nähe von einander befinden. In den Eimer füllen wir
peratur erhöht sich die Temperatur nicht weiter, die
entweder rund sieben Liter Wasser oder ein Gewicht,
angenommene Wärme wird für das Verdampfen des
das etwa 7kg wiegt. Den Eimer binden wir an einem
Wassers verwendet. Im Falle, dass jegliches Wasser
Draht oder einer e-Gitarrensaite (der dünnsten) fest
verdampft, erhöht sich die Temperatur des Papiers
und führen den Draht so um das Eis herum, das er
sehr schnell und die Schachtel beginnt zu brennen.
eine Schlinge bildet. Der Eimer muss über dem Boden
Wasser ist ein viel besserer Wärmeleiter als Luft,
in einer größeren Höhe hängen, als es der Durschnitt
doch im Gegensatz zu Metallen ist seine gemessene
des Eises ist. Es wird nicht empfohlen, den Eimer in
Wärmeleitfähigkeit deutlich geringer. Die Wärme-
eine zu große Höhe zu hängen, das Wasser könnte
leitfähigkeit von Kupfer ist zum Beispiel in etwa 700x
verschüttet oder der Eimer beschädigt werden. Nach
so hoch als die von Wasser. Die Wärmeableitung
einer gewissen Zeit beginnt sich der Draht (die Saite)
durch Wasser wird jedoch durch dessen Strömung
ins Eis zu schneiden. Diese Zeit ist von der Eistempe-
unterstützt.
ratur abhängig. Die Saite durchschneidet allmählich
den ganzen Eisblock, das Eis ist jedoch nicht in zwei
Hälften geschnitten. Der Draht hat das Eis durchschnitten, das Eis blieb jedoch im Umfeld des Drahtes unversehrt.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
10
VERSUCH NR. 3:
Unterkühlung
von Wasser
Hilfsmittel: Flasche mit Sodawasser, Gefrierschrank
Unter dem Draht (der Saite) herrscht ein höherer
Druck, der eine geringere Temperatur des Eisschmelzens verursacht. Laut der Clausius-ClapeyronGleichung liegt die Temperatur des Eisschmelzens
unter dem Draht bei etwa -0,75°C. Sobald die Temperatur unter dem Draht oder der Saite diesen Wert
erreicht, so schmilzt das Eis unter der Saite, das
Wasser über ihr gefriert bei dieser Temperatur jedoch
wieder. Der Draht (die Saite) ist ein guter Wärmeleiter, deshalb kommt es zur Eiserwärmung unter ihm
– erneut taut das Eis und das Wasser über dem Draht
schmilzt.
Wenn wir den Versuch draußen bei einer Temperatur durchführen würden, die niedriger ist als die
verringerte Schmelztemperatur unter der Saite, so
würde der Draht nicht ins Eis schneiden.
Wenn wir anstelle des Drahts Kevlar-Garn
verwenden würden, würde der gesamte Prozess
weitaus länger dauern. Das Garn würde sich durch
die Wärmeleitfähigkeit nicht erwärmen und das Eis
würde erst dann auftauen, wenn die Eistemperatur
den Wert des Eisschmelzens unter höherem Druck
unter dem Kevlar-Garn erreichen würde
.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
Für mehrere Stunden geben wir die Flasche mit dem
Sodawasser in den Gefrierschrank. Die Flasche darf
jedoch nicht allzu lange im Gefrierschrank bleiben,
damit kein Eis in der Flasche entsteht. Auf diese
Weise kann Wasser auf -7°C unterkühlt werden.
Was passiert, wenn wir diese Flasche aus dem
Gefrierschrank holen und sie sogleich öffnen? Welche Temperatur zeigt das Thermometer, das wir
gleich nach dem Öffnen in die Flasche stecken?
Die Unterkühlung ist ein Prozess, bei welchem die
Flüssigkeit unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird,
es jedoch nicht zu ihrer Erstarrung kommt. Flüssigkeit kristallisiert bei einer Temperatur, die niedriger
ist als der Gefrierpunkt. Es muss darin ein Kristallisationspunkt anwesend sein, in dessen Umgebung
eine Kristallstruktur entsteht. Wenn sich dieses Zentrum nicht in der Flüssigkeit befindet, so überdauert
der flüssige Aggregatzustand bis zu der Temperatur,
bei der es zur so genannten homogenen Nukleation
kommt.
Wasser hat einen Gefrierpunkt von 0°C (273,15
K). Bei normalem Druck kann es auf fast -42°C (231
K) unterkühlt werden. Tropfen unterkühlten Wassers
befinden sich zum Beispiel in Wolken; wenn es zum
Kontakt mit Flugzeugflügeln kommt, wandeln sich
diese Tropfen augenblicklich in Eis um. Ein sehr
ähnliches Phänomen stellt die übersättigte Lösung
dar, die auch als unterkühlte Flüssigkeit angesehen
werden kann. Sie kann durch vorsichtiges Unterkühlen einer gesättigten Lösung eines Stoffes vorbereitet
werden, bei welcher eine große Abhängigkeit der Löslichkeit von der Temperatur vorherrscht (Natriumacetat, Calciumnitrat).
FINANZIERT AUS PROGRAM
11
lassen), die gleiche Wassermenge, die gleiche
VERSUCH NR.4:
Anfangstemperatur. Diesmal bedecken wir den
Top allerdings mit dem Deckel. Wir messen und
Kochen von
Wasser
– energetischer
Aufwand
berechnen die gleichen Größen wie im vorangehenden Fall.
3) Wir gießen einen Liter kaltes Wasser in den
Wasserkocher und bringen das Wasser zum
Kochen. Wir messen erneut die Zeit und berechnen die oben angeführten physikalischen Größen
Wir vergleichen die gemessenen Werte und leiten
davon Schlussfolgerungen ab.
Hilfsmittel: Topf, Topfdeckel, Elektrokocher, Wasserschnellkocher, Messbecher (Wattmeter)
a) Durch das Kochen mit Topfdeckel sparen wir
einen Teil der Energie und somit auch der Finanzen ein.
Wir messen die Temperatur von kaltem Wasser, die
aus dem Wasserhahn fließt. Mithilfe des Messbe-
b) Der Wasserschnellkocher hat eine deutlich höhere
Leistung (rund 90%) als der Kocher (rund 50%),
chers messen wir ein Liter Wasser ab. Im Falle, dass
auch die Aufwärmzeit ist deutlich kürzer. Wir
uns kein Wattmeter zur Verfügung steht, stellen wir
aus der Gebrauchsanweisung den Leistungsbedarf
des Elektrokochers fest, auf welchem wir das Wasser
kochen werden. Gleichzeitig muss in Betracht gezogen werden, für welche Stufe des Kochers der Leistungsbedarf angeführt ist (meist gilt dies für die
höchste Stufe, dem ist aber nicht immer so). Im Falle,
dass uns ein Wattmeter zur Verfügung steht, schalten
wir den Kocher über diesen an. Desweiteren stellen
wir den Leistungsaufwand des Wasserkochers fest.
1) Wir schütten einen Liter kaltes Wasser in den
Topf, den Topf decken wir nicht mit dem Topfdeckel ab und bringen das Wasser zum Kochen. Wir
messen die Zeit, die das Wasser zum Erreichen
des Siedepunktes gebraucht hat und bestimmen
den Verbrauch elektrischer Energie. Gleichzeitig
berechnen wir die Wärmemenge, die das Wasser
angenommen hat (wir kennen die Menge, die
Anfangs- und die Endtemperatur und die gemessene Wärmekapazität des Wassers). Desweiteren
sparen weitere Energie und zugleich Zeit.
Wenn wir Wasser in einem Topf ohne Deckel erwärmen, gelangt der Wasserdampf in die Umgebung und
dadurch kommt es zu einem deutlichen Verdunsten
des Wassers an der Oberfläche des Topfes. Dadurch
kommt es zu großen Verlusten der inneren Energie.
Wenn wir einen Topfdeckel verwenden, entsteht
zwischen dem Deckel und dem Wasserspiegel satter
Dampf. Dieser entweicht nirgendwohin und deshalb
wird die Energie für das Erwärmen des Wassers und
weniger für die Herstellung von Dampf verwendet.
Deshalb beschleunigt sich die Erwärmung.
Beim Wasserschnellkocher ist die Heizspirale
unter dem Wasser am Boden angebracht. Deshalb
wird nahezu die gesamte Energie für die Wassererwärmung verwendet. Im Falle eines Kochers wird
ein Teil der Energie für die Erwärmung der Luft in
der Umgebung des Topfes und für die Erwärmung
des Kochers selbst verwendet.
bestimmen wir die ungefähre Wirksamkeit des
Kochers bei der Wassererwärmung.
2) Den oben angeführten Versuch wiederholen wir.
Wir verwenden den gleichen Topf (wir sollten
ihn auf die Temperatur des Umfeldes abkühlen
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
12
VERSUCH NR. 5:
Gekühlte
Getränke
Hilfsmittel: 2 Plastikbecher, Thermometer, Wagen, Geschirrtuch, Hammer, Eiswürfel, Getränk mit Zimmertemperatur
Warum wird zum Kühlen von Getränken im Sommer
Eis und nicht kaltes Wasser verwendet?
Wenn wir zum Abkühlen Eis verwenden, entnehmen wir dem warmen Getränk neben der oben
In zwei Plastikbecher geben wir die gleiche Menge
angeführten Wärme auch die Aggregatwärme des
Mineralwasser, zum Beispiel 100g. In den ersten
Tauens. Dies ist Wärme, welche das Eis beim Tauen
Becher geben wir einen Eiswürfel oder bestenfalls
annimmt. Wenn der Eiswürfel zu kleinen Stücken
zerstoßenes Eis (wir wickeln den Eiswürfel in ein
zerstoßen ist, erhöht die größere Oberfläche die Tau-
Geschirrtuch und zerstoßen es mit dem Hammer).
geschwindigkeit.
In den zweiten Becher geben wir kaltes Wasser mit
Die Endtemperatur unterscheidet sich mit der
einer Temperatur von 0°C. Das Gewicht dieses kalten
Sorte der verwendeten Flüssigkeit. Wenn wir anstelle
Wassers muss identisch sein mit dem Gewicht des
von Limo ein alkoholisches Getränk verwenden, so
Eiswürfels im ersten Becher. Das Wasser mit dem
kühlt dieses mehr ab, weil es eine niedrigere Messka-
zerstoßenen Eis rühren wir langsam mit dem Ther-
pazität hat.
mometer und warten, bis das Eis aufgetaut ist. Die
Mischung im zweiten Becher verrühren wir ebenfalls und warten, bis sich die Temperatur stabilisiert
hat. Wir vergleichen die Endtemperaturen beider
Getränke. Im Falle der Verwendung von zerstoßenem
Eis kommt es zu einer deutlichen Abkühlung des
Getränks (bei 100g Mineralwasser mit 20°C und 20g
Eis mit 0°C wird sich die Endtemperatur ungefähr auf
4,5°C belaufen), im Falle der Verwendung von kaltem
Wasser wird sich die Temperatur nicht sonderlich
senken (wenn wir 20g Wasser mit 0°C verwenden,
wird sich die Endtemperatur auf 17°C belaufen).
Im Falle, dass wir zum Abkühlen kaltes Wasser
verwenden, entnehmen wir dem warmen Getränk
Wärme, welche laut der kalorimetrischen Gleichung
gleich der Wärme ist, die wir dem Wasser beifügen
müssen, damit es sich von 0°C auf die Endtemperatur
erwärmt.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
13
VERSUCH NR. 6:
Genauigkeit
von Wärme im
Wasser
Hilfsmittel: zwei gleiche Becher, Thermometer, Metalllöffel
Wir bereiten zwei gleiche Becher vor. Wir schütten
die gleiche Mengen heißes Wasser mit derselben
Temperatur hinein und legen einen Löffel in einen
der beiden Becher. Nach einer Weile messen wir die
Wassertemperatur in beiden Bechern. Das Wasser
im Becher mit dem Löffel wird kälter sein. Auch bei
der Wiederholung des Versuchs kommen wir zu dem
Schluss, dass das Wasser im Becher mit dem Löffel
schneller abkühlt.
Wärme verbreitet sich im Wasser überwiegend durch
Strömung, Leitung wird hier kaum angewandt. Aus
diesem Grund dauert es lange, bis das Wasser abgekühlt ist, soweit wir nicht rühren. Das Wasser kühlt
durch den Wärmeaustausch mit der Luft an der
Oberfläche aus. Das kältere Wasser sinkt nach unten,
an seine Stelle steigt wärmeres Wasser auf (dies gilt
für den Fall, dass die Wassertemperatur höher ist als
4°C).
Wenn wir einen Metalllöffel in den Becher geben
(ein guter Wärmeleiter), kommt es dadurch zum
Wärmeaustausch zwischen Wasser am Boden und
Wasser an der Oberfläche. Dies beschleunigt die
Abkühlung von Wasser. Gleichzeitig kommt es zum
Wärmeaustausch zwischen dem Ende des Löffels,
das aus dem Wasser herausragt und der umgebenden
Luft. Dieser Einfluss ist jedoch nicht allzu bedeutend.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
14
5. Ein Schnellball mit einem Gewicht von 0,2 kg
Test 1
prallt mit einer Geschwindigkeit von 30 m.s-1 an
eine Hauswand und kommt zum Stehen. Um welchen Wert steigt die innere Energie des Schneeballs und der Wand?
1. Wie drücken wir die Wärme t = 300°C in Kelvin
a) 6 J
aus?
b) 30 J
a) T = 573 K
c) 90 J
b) T = 300 K
d) 180 J
c) T = 273 K
d) T = 27 K
Auf dem Bild sind Graphen aufgezeichnet, die die
Temperaturänderung dreier Körper als Wär-
2. Wie drücken wir die Wärme T = 300 K in Grad
Celsius aus?
mefunktion veranschaulichen, die diese Körper
angenommen haben.
a) t = 573 °C
b) t = 300 °C
t[°C]
c) t = 273 °C
d) t = 27 °C
3. Der Temperaturunterschied zweier Körper ist Δt
= 300 °C. Wie drücken wir diesen Temperaturunterschied in Kelvin aus?
a) ΔT = 573 K
80
1
60
2
40
3
20
b) ΔT = 300 K
c) ΔT = 273 K
0
d) ΔT = 27 K
4. . Ein Stein mit einem Gewicht von 2 kg fällt
10
20
30
40
50
Q[kJ]
6. Welcher der drei Körper hat die meiste Wärme
im freien Fall von 30 m Höhe in den Sand. Um
angenommen?
welchen Wert steigt die innere Energie des Steins
a) Körper 1
und des Sandes?
b) Körper 2
a) 30 J
c) Körper 3
b) 60 J
d) alle gleich
c) 300 J
d) 600 J
7. Welcher dieser drei Körper hat die größte Wärmekapazität?
a) Körper 1
b) Körper 2
c) Körper 3
d) alle gleich
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
15
Auf dem Bild ist ein Graph aufgezeichnet, der die
Das thermodynamische System, auf welches
Temperaturveränderung des Körpers mit einem
äußere Kräfte einwirken, nimmt von der Umge-
Gewicht von 4kg als Wärmefunktion verans-
bung Wärme im Wert von 20 kJ an.
chaulicht, die vom Körper angenommen wurde.
11.Welche Arbeit verrichtet das System, wenn seine
innere Energie um 15kJ steigt?
t[°C]
a) 5 kJ
40
b) 15 kJ
c) 20 kJ
30
d) 35 kJ
20
12.Wie verändert sich die innere Energie des Systems, wenn es Arbeit von 25kJ verrichtet?
10
a) sie wächst um 25 kJ
0
10
20
30
40
50 60 Q[kJ]
b) sie wächst um 5 kJ
c) sie sinkt um 25 kJ
d) sie sinkt um 5 kJ
8. Welche Wärme nimmt ein Körper bei der Erwärmung von 20°C auf 40°C an?
a) 20 kJ
b) 40 kJ
c) 60 kJ
d) 80 kJ
9. Welche Wärmekapazität hat der Körper?
a) 0,5 kJ · K-1
b) 2 kJ · K-1
c) 10 kJ · K-1
d) 40 kJ · K-1
10.Welche gemessene Wärmekapazität hat der Körper?
a)
0,5
b)2
c)8
d)
10
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
16
Auf dem nächsten Bild sind vier Graphen ABCD,
die den Druck P als Umfangsfunktion V verdeut-
Test 2
lichen.
A
p
1. Bei welchem Prozess beleibt die innere Energie
von Gas konstant?
a) beim isometrischen
b) beim isochorischen
0
c) beim isobarischen
d) beim adiabatischen
B
p
V
2. Bei welchem Prozess verrichtet Gas keine Arbeit?
a) beim isometrischen
b) beim isochorischen
c) beim isobarischen
0
d) beim adiabatischen
3. Bei welchem Prozess verrichtet Gas Arbeit auf
C
p
V
Kosten der inneren Energie?
a) beim isometrischen
b) beim isochorischen
c) beim isobarischen
0
d) beim adiabatischen
Auf dem Grafen, der den Umfang V idealer Gase
V
D
p
als Wärmefunktion T verdeutlicht, werden drei
Prozesse veranschaulicht, bei welchen Gas vom
Zustand 1 in einen der Zustände 2, 3 und 4 übergeht.
0
V
2
3
V
4. Welcher der Graphen A, B, C, D entspricht dem
Prozess 1-2, d.h. dem Übergang idealer Gase aus
Zustand 1 in Zustand 2?
a) Graph A
b) Graph B
4
1
c) Graph C
d) Graph D
0
T
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
17
5. Welcher der Graphen A, B, C, D entspricht dem
Auf dem Bild ist der Graph eines reversiblen
Prozess 1-3?
Kreisprozesses mit idealen Gasen im Diagramm
a) Graph A
p-V abgebildet. Die Reihenfolge der Gaszustände
b) Graph B
ist ABCA.
c) Graph C
d) Graph D
p [MPa]
4
6. Welcher der Graphen A, B, C, D entspricht dem
Prozess 1-4?
A
B
3
a) Graph A
b) Graph B
2
c) Graph C
1
d) Graph D
IIdeale Gase mit einem Gewicht von 0,2 kg haben
0
bei einer Temperatur von 27°C einen Umfang von
C
2
4
6
8
10
V [1 litr]
0,4 m3 und einen Druck von 2.105 Pa. Die gemessene Wärmekapazität des Gases bei konstantem
Umfang liegt bei 0,6 10. Welche Arbeit verrichtet das Gas beim Prozess,
der auf Strecke AB veranschaulicht ist?
.
a)
0 kJ
b)
18 kJ
konstanter Temperatur der Druck auf 4.105 Pa
c)
24 kJ
erhöht?
d)
32 kJ
7. Welches ist der Gasumfang, wenn sich bei
a) 0,1 m
3
b) 0,2 m3
11. Welche Arbeit verrichtet das Gas beim Prozess,
c) 0,8 m
der auf der Strecke CA veranschaulicht ist?
d) 1,6 m
3
3
8. Welches ist der Gasdruck bei einem Umfang von
0,1 m3 und einer Temperatur von 327 °C?
a)
0 kJ
b)
2 kJ
c)
6 kJ
d)
8 kJ
a) 1,105 Pa
b) 4,105 Pa
12. Welche Arbeit verrichtet das Gas beim Kreispro-
c) 8,105 Pa
zess ABCA?
d) 16,105 Pa
a)
3 kJ
b)
9 kJ
c)
18 kJ
d)
24 kJ
9. Welche Wärme fügen wir dem Gas bei, wenn sich
seine Temperatur bei konstantem Umfang von 27
°C auf 327 °C erhöht?
a) 36 kJ
b) 60 kJ
c) 69 kJ
d) 180 kJ
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
18
Auf dem Bild ist das Phasendiagramm eines
bestimmten Stoffes abgebildet.
Test 3
p
K
B
C
Flüssigkeit mit einem Gewicht von 2 kg wird auf
T
Siedetemperatur aufgewärmt. Bei dieser Temperatur verdampft sie gänzlich. Auf dem Bild ist ein Graf
A
abgebildet, der die Temperaturänderung als Funktion
angenommener Wärme veranschaulicht. Ihr solltet
voraussetzen, dass die Flüssigkeit erst während des
Kochens zu verdampfen beginnt.
0
T
3. In welchem Aggregatzustand befindet sich ein
Stoff, wenn sein Zustand durch Punkt B verans-
t[°C]
chaulicht wird?
100
a) im festen Aggregatzustand
80
b) im flüssigen Aggregatzustand
60
c) im gasförmigen Aggregatzustand
40
d) im flüssigen und im gasförmigen Aggregatzustand
20
0
200 400
4. In welchem Aggregatzustand befindet sich ein
600 800 Q[kJ]
Stoff, wenn sein Zustand durch Punkt C veranschaulicht wird?
1. Welches ist die Aggregatwärme des Kochens bei
a) im festen Aggregatzustand
der gegebenen Flüssigkeitsmenge?
b) im flüssigen Aggregatzustand
a) 200 kJ
c) im gasförmigen Aggregatzustand
b) 400 kJ
d) im flüssigen und im gasförmigen Aggregat-
c) 600 kJ
zustand
d) 800 kJ
5. Jakou změnu představuje přechod kapaliny ze
2. Welches ist die gemessene Aggregatwärme des
stavu zobrazeného bodem D do stavu zobraze-
Kochens der jeweiligen Flüssigkeit?
ného bodem C?
a) 80 kJ · K
a)Tauen
-1
b) 300 kJ · K
b)Gefrieren
c) 400 kJ · K
c)Verdampfen
d) 600 kJ · K
d) Kondensation
-1
-1
-1
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
19
6. Wie verändert sich die Tau- und die Siedetemperatur eines Stoffes bei einer Senkung des äußeren
Drucks?
a) Die Tautemperatur sinkt, die Siedetemperatur
steigt
b) Die Tautemperatur steigt, die Siedetemperatur
sinkt
c) Die Tautemperatur und die Siedetemperatur
steigen
d) Die Tautemperatur und die Siedetemperatur
sinken
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
THERMODYNAMIK
FINANZIERT AUS PROGRAM
20