Arbeitsblatt: Wärmelehre 8./9. Klasse

Physik Lehrgang Wärmelehre 2 9.Klasse Dieser Lehrgang gehört: INHALTSVERZEICHNIS WÄRMELEHRE 2 1. Warm und Kalt 6 1.1. TeilchenbildAtome . 6 1.2. Aggregatzustände . 6 1.3. Verhalten der Körper . 7 1.4. Anomalie des Wassers . 7 1.5. Thermometer . 8 1.5.1. Temperaturskala . 8 1.5.2. Absoluter Nullpunkt . 8 1.5.3. Andere Temperaturskalen . 8 2. Wärmeenergie 9 2.1. Schmelzen . 9 2.2. Verdampfen . 10 2.3. Ergänzungen . 12 2.3.1. Wärmeenergie zur Zustandsänderung . 12 2.3.2. Verdunsten . 12 2.3.3. Umwandlungspunkte . 12 . 12 2.3.4. Spez. Wärmekapazität von Wasser und Eis . 12 2.4. Aufgaben . 14 2.5. Alltagsanwendungen . 15 2.5.1. Kühlschrank . 15 2.5.2. Thermostat . 16 2.5.3. Wärmepumpe . 16 3. Wärmekraftmaschinen 17 3.1. 2 und 4Takt Motor (Wärme 1) . 17 3.2. Rückstossprinzip . 17 3.3. Der Mensch im Weltraum . 17 3.4. Saturn Rakete . 19 3.5. Mondlandung . 20 3.6. Geschichte der Luft und Weltraumfahrt . 20 4. Druck 21 4.1. Definition,Formel,Einheiten . 21 4.2. Messgeräte . 21 4.3. Schweredruck . 21 4.4. Kommunizierende Gefässe . 22 4.5. Luftdruck . 22 4.5.1. Versuch von Torricelli . 22 4.5.2. Barometer . 24 4.5.3. Abhängigkeit des Luftdrucks von der Höhe . 24 4.6. Aufgaben . 25 4.7. Alltagsbeispiel . 25 4.7.1. Dampfkochtopf . 25 5. Auftrieb 26 5.1. Auftrieb in Flüssigkeiten . 26 5.1.1. Versuch . 26 5.1.2. Archimedisches Gesetz . 26 5.2. Sinken, Schweben, Schwimmen . 26 entworfen und gestaltet von 1994/2011 Wärmelehre 9.Klasse WÄRMELEHRE 1 1. Warm und Kalt 1.1. TeilchenbildAtome Jeder Stoff besteht aus Atomen. Atome sind unvorstellbar klein. Man macht sich Modellvorstellungen, die wie folgt aussehen: Wasserstoffatom Grösse eines Atoms: Vergleich: 0,000 000 1 mm Heliumatom Gewicht eines Atoms: 0,000 000 000 000 000 000 000 01 Stell dir vor, man könnte ein Atom und ein Sandkorn mit 1mm Durchmesser gleichmässig vergrössern. Wenn das Atom die Grösse des Sandkorns angenommen hätte, wäre der Durchmesser des Sandkorns auf 10 km angewachsen!! Der Grieche DEMOKRIT (* 460 v.Chr.) schuf den Begriff t m i, was soviel wie der unteilbare, letzte Bestandteil bedeutet. Heute ist der Begriff ATOM gebräuchlich. 1.2. Aggregatzustände 2 FEST FLÜSSIG GASFÖRMIG 1 Kalorik alter Name für Wärmelehre 2 von lat. aggregare anhäufen, hinzuscharen Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse 1.3. Verhalten der Körper Werden feste, flüssige oder gasförmige Körper erwärmt, so dehnen sie sich aus. Erwärmen heisst Werden feste, flüssige oder gasförmige Körper abgekühlt, so ziehen sie sich zusammen. Abkühlen heisst Alltagsbeispiele: 1.4. Anomalie des Wassers 3 Das Wasser verringert sein Volumen bis es 4 Celsius aufweist. Bei weiterer Abkühlung nimmt das Volu men wieder zu. Bei 4 hat das Wasser das kleinste Volumen, aber die grösste Dichte. Zeichne ein Diagramm, das die Besonderheit von Wasser zeigt. Dieses Phänomen hat für die Lebewesen im Wasser eine entscheidende Bedeutung. Die Gewässer ge frieren zuerst an der Oberfläche, am Grund herrscht immer eine Temperatur von 4 C; dadurch überleben die Wassertiere in den Gewässern! 3 anomal heisst regelwidrig Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 1.5. Thermometer 9.Klasse 4 1.5.1. Temperaturskala Die Temperaturanzeige beruht auf der Ausdehnung und dem Zusammenziehen der Thermometerflüssigkeit beim Erwärmen bzw. Abkühlung. 1 Grad5 Celsius (1C) ist der hundertste Teil des Abstandes vom Schmelzpunkt zum Siedepunkt des Wassers. Die Thermometerflüssigkeit ist normalerweise Quecksilber(Hg). Messbereich: 39 C bis 280 C Alkoholthermometer können sogar bis 100 C messen. Kannst du die tiefere Messtemperatur mit Alkohol begründen? 1.5.2. Absoluter Nullpunkt Die Physiker benützen für ihre Berechnungen eine andere Skala. Sie nennt sich Kelvinskala. •KELVIN (K) Sir Kelvin William Thomson (1824 1907), engl. Physiker 0 Kelvin entspricht 273 Celsius 0 Kelvin ist der absolut tiefste Kältepunkt; kälter kann es nicht werden Wie viel ist dann 0 C in Kelvin? Antwort: Wie viel ist dann 100 C in Kelvin? Antwort: 1.5.3. Andere Temperaturskalen •CELSIUS (C) Anders Celsius (1701 1744), schwed. Astronom heute: meistverbreitete Temperaturmessung •FAHRENHEIT (F) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 1736), Glasbläser aus Danzig heute: englische und amerikanische Einheit 4 von lat. thermos warm 5 von lat. gradus Schritt Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse F 9 5 C 32 C 5 C F 32) 9 Aufgabe 30 C Aufgabe 0 F F C •REAUMUR(R) Rene Antoine Reaumur (1683 1757), franz. Biologe und Physiker 2. Wärmeenergie 2.1. Schmelzen Versuchsanordnung: Zeichnung Beschreibung Ein Becherglas wird mit Eiswürfeln gefüllt. Wir messen die Ausgangstemperatur. Durch gleichmässiges Erhitzen bringen wir die Eiswürfel zum Schmelzen. •Beobachte die Veränderungen im Becherglas und halte die Temperaturerhöhungen fest. •Zeichne ein Diagramm Die Messung ergibt: 0 Zeit(min) .5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 7 8 9 10 9.5 10 10.5 Temperatur C/min Diagramm 20 18 16 14 C 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 Zeit (min) Erklärung zum Schmelzversuch: Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 5 6 11 12 Wärmelehre 9.Klasse 2.2. Verdampfen Versuchsanordnung: Zeichnung Beschreibung Ein Becherglas wird mit Wasser gefüllt. 12 dl Wir messen die Ausgangstemperatur. Durch gleichmässiges Erhitzen bringen wir das Wasser zum Sieden. •Beobachte die Veränderungen im Becherglas und halte die Temperaturerhöhungen fest. •Zeichne ein Diagramm Die Messung ergibt: 0 Zeit(min) .5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 7 8 9 10 9.5 10 10.5 Temperatur C/min Diagramm 100 23 90 80 70 C 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 Zeit (min) Erklärung zum Siedeversuch: Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 5 6 11 12 Wärmelehre Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 9.Klasse Wärmelehre 9.Klasse 2.3. Ergänzungen 2.3.1. Wärmeenergie zur Zustandsänderung Stoff Verdampfungswärme Schmelzwärme Kondensationswärme Erstarrungswärme kJ/pro kg kJ/pro kg 2260 844 10550 873 285 336 105 397 24.7 11.3 EINHEIT Wasser Alkohol Aluminium Blei Quecksilber 2.3.2. Verdunsten Verdunsten bedeutet langsames Verdampfen. Die Flüssigkeitsteilchen haben eine unterschiedliche Geschwindigkeit. An der Oberfläche können solche Teilchen den Zusammenhalt sprengen und entweichen. Dies nennt man Verdunsten. Die Verdunstung kann bei jeder Temperatur unter dem Siedepunkt stattfinden. Schmelztemperatur Erstarrungstemperatur Siedetemperatur Verflüssigungstemperatur 2.3.3. Umwandlungspunkte Stoff Schmelzpunkt (C) Siedepunkt (C) 0 112 327 210.1 218.8 100 78 1755 195.8 183 Wasser Alkohol Blei Stickstoff Sauerstoff 2.3.4. Spez. Wärmekapazität von Wasser und Eis F1 Wenn die Temperatur von 1 Liter Wasser um 1 C erhöht wird (), sind dazu 4200 F2 Wenn die Temperatur von 1 Liter Eis um 1 C erhöht wird (), sind dazu 1800 (4187,078 J) notwendig. notwendig. Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse Abk. Wärmeenergie, Spez. Wärmekapazität 1 Joule (1 J) alte Einheit: Kilokalorien Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 4,2 1 cal oder 4,2 kJ 1 kcal Wärmelehre 9.Klasse 2.4. Aufgaben 1. 1 kg Wasser wird von 20 C auf 60 C erhitzt. Welche Wärmeenergie wird benötigt? 2. 120 Liter Wasser werden um 57 C erwärmt. Welche Wärmeenergie wird benötigt? 3. 4. 5. Berechne die Energie, die es braucht um 3,5 kg EIS von 0 C in Wasser von 70 C zu verwandeln? Wie viele könnte man einen 40 kg schweren Sack heben, wenn man mit der gleichen aufgewendeten Energie, 1 kg Wasser um 1 Grad Celsius erwärmt? Wie viele Male müsste ein 50kg schwerer Schüler in das Schwimmbecken vom 5m Turm eintauchen, damit das Wasser um 1 C erwärmt würde? (Theor. Aufgabe, weil große Verdunstung) Masse des Schwimmbeckens (50m*20m*2m) Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse 2.5. Alltagsanwendungen 2.5.1. Kühlschrank Bauplan eines Kühlschranks Legende 1 2 3 M 4 5 WE Kühlen heisst Funktionsweise des Kühlschranks Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse Unterschiede zur Gefriertruhe • • 2.5.2. Thermostat Bauplan Legende 4 1 1 5 3 3 2 6 2 4 5 6 Funktion eines Thermostaten 2.5.3. Wärmepumpe Funktionsprinzip Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre TEST 9.Klasse Wärmelehre 3. Wärmekraftmaschinen 3.1. 2 und 4Takt Motor (Wärme 1) 3.2. Rückstossprinzip Versuchsanordnung: Zeichnung Beschreibung 3.3. Der Mensch im Weltraum Was? Name Erfinder der Raketen Chinesen Erster künstlicher Satellit Sputnik Sputnik Explorer 1 Erste Reisen zum Mond Luna 1,2,3 Erster bemannter Weltraumflug Wostok Erster bemannter Weltraumflug Mercury 6 12 Geminiflüge Erste Mondlandung ApolloSojus Mission Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Apollo 11 Wann? Wärmelehre Weltraumbus Wusstest Du, dass. •die Raumfahrer der USA/UdSSR •die Weltraumfahrt •die Startbasis der USA/UdSSR Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 9.Klasse Wärmelehre 9.Klasse 3.4. Saturn Rakete Funktionsweise der Saturnrakete Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 3.5. Mondlandung 3.6. Geschichte der Luft und Weltraumfahrt Zeitungsausschnitte, Kopien Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 9.Klasse Wärmelehre 9.Klasse 4. Druck 4.1. Definition,Formel,Einheiten Def. Der Presszustand einer Flüssigkeit heisst Druck. P A Abk. Druck A p p* Kraft Angriffsfläche alt: 1 Bar (1 bar) 1000 mbar 10 neu: 1 Pascal 1 Pa 1 1 bar 100000 Pascal m2 cm2 1 mbar 100 Pa oder 1 hPa (1 Hektopascal) 4.2. Messgeräte Der Druck in Gasen und Flüssig keiten wird mit dem 6MANOMETER gemessen. Hier gilt 1 atü 1 bar (1 Atmosphäre) Beim Luftdruck ist das Messgerät ein 7BAROMETER.(siehe später) 4.3. Schweredruck Jeder Körper hat aufgrund seiner Masse eine bestimmte Gewichtskraft. Dadurch entsteht aber auch ein Schweredruck auf die Unterlage, auf den Boden. Der Schweredruck einer Flüssigkeit ist umso grösser, je grösser die Tiefe (oder Höhe) und die Dichte der Flüssigkeit ist. Die Form der Gefässe und das Volumen spielt dabei keine Rolle. h 6 von griech. manos dünn 7 von griech. baros schwer Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse 4.4. Kommunizierende Gefässe Zeichnung Beschreibung Hydrostatisches Paradoxon 8 4.5. Luftdruck 4.5.1. Versuch von Torricelli 9 Die Grösse des Luftdrucks ermittelte als erster Torricelli 1643. Zunächst konnte man sich den luftleeren Raum, der sich beim Aufstellen bildet, nicht erklären. Man sprach sogar vom horror vacui, was soviel heisst wie: Furcht vor dem luftleeren Raum. Erklärung: Bei grösserer Höhe entsteht in der Glasröhre ein grösserer luftleerer Raum, weil der Luftdruck nur noch eine kleinere HgSäule tragen kann. Unter Normalbedingungen vermag der Luftdruck eine Quecksilberhöhe von 760 mm zu tragen. Zu Ehren von Torricelli hat man folgende Einheit eingeführt: 1 mm Quecksilbersäule 1 Torr 8 von griech. paradox widersinnig 9 Evangelista Torricelli, ital. Physiker, (1608 1647) Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 9.Klasse Wärmelehre 9.Klasse 4.5.2. Barometer Der Barometerstand ist die Differenz in der Höhe von A1 zu A2 Der Stand des Barometers ist abhängig vom Wetter und der Höhenlage des Beobachtungsortes. Ändert sich der Luftdruck, so ändert sich auch oft das Wetter. Steigender Luftdruck Hochdruck Sinkender Luftdruck Tiefdruck Wetterbesserung Wetterverschlechterung Normaldruck Auf Meereshöhe halten sich Luftdruck und der Quecksilberdruck die Waage 760 Torr 1013 mbar 1,013 bar 1 atm (phy. Atmosphäre) 4.5.3. Abhängigkeit des Luftdrucks von der Höhe Beispiel Die Druckabnahme ist nur von 0 bis etwa 1000 ü Meer proportional abnehmend! Der Luftdruck nimmt pro 7,9 1 mbar ab. Berechne den Normaldruck in Aarwangen Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 500 ü 9.Klasse mbar (Aarwangen) 4.6. Aufgaben 1. Löse auf ein Zusatzblatt 2 a) Ein Mann (750 N) steht auf beiden Stiefelsohlen von je 2,8 dm Fläche. Wie gross ist der Druck? b) Er steht auf 2 langen und je 9 cm breiten Skiern. 2. Aus einem Gartenschlauch spritzt Wasser 4 hoch. Welcher Druck muss der Schlauch 2 aushalten? Öffnung der Schlauchspitze 0,2 cm 3. 4. Ein Marmorklotz (30 60 *100 cm ruht auf einer ebenen Unterlage. Berechne den Druck in allen 3 Lagen. Resultat in bar und mbar. Skizze Magdeburger Halbkugeln (Otto Guericke) 22 Zoll (1 Zoll 2,62 cm) Mit welcher Kraft werden die beiden Halbkugeln aneinandergedrückt, wenn der Aussendruck 960 mbar und der Innendruck 130 mbar beträgt? 4.7. Alltagsbeispiel 4.7.1. Dampfkochtopf Der Marburger Professor PAPIN erfand um 1700 den Verschlusstopf mit Sicherheitsventil. Bezeichnung Druck Siedepunkt (C) Überdruck Überdruck Normaldruck Unterdruck Unterdruck 20 bar 2 bar 1 bar 400 mbar 2,6 mbar 211 120 100 76 10 Folgerungen aus der obigen Tabelle: • Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Art künstlich Dampfkochtopf 0müM 7200 ü künstlich Wärmelehre 9.Klasse • • 5. Auftrieb 5.1. Auftrieb in Flüssigkeiten 5.1.1. Versuch Zeichnung Beschreibung Wir tauchen einen Gewichtsstein (m 1 kg in eine Flüssigkeit. (z.B. Wasser) Feststellungen: VOR dem Eintauchen BEIM Eintauchen NACH dem Eintauchen Folgerung 5.1.2. Archimedisches Gesetz 5.2. Sinken, Schweben, Schwimmen Je nach Verhältnis der Dichten verändert sich die Eintauchtiefe des Körpers. Die Gewichtskraft ist gleich des Schweredrucks eines Körpers. Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011 Wärmelehre 9.Klasse Abkürzungen Wenn ein Körper schwebt, ist er in Ruhe. Die Auftriebskraft ist gleich gross wie die Gewichtskraft. Wenn ein Körper schwimmt, ist die Auftriebskraft grösser als die Gewichtskraft. Wenn ein Körper sinkt, ist die Auftriebskraft kleiner als die Gewichtskraft. Sek.Aarwangen•Naturkunde•Physik•er2011