Arbeitsblatt: WärmelehreArbeitsblätter

3. Bezirksschule Wärmelehre 1. Kapitel: Temperaturen, Temperaturmessungen, Aggregatszustände 1.1 Einstiegsversuch: Halte eine Minute lang die eine Hand in kaltes Wasser, die andere in heisses Wasser. Dann tauchst du beide Hände in lauwarmes Wasser. Was empfindest du? Finde eine Erklärung! Ob ein Körper heiss, warm oder lauwarm ist, wird mit der physikalischen Grösse „Temperatur angegeben. Die gebräuchlichste Einheit ist Grad Celsius (C). Die Thermometer, die bei uns in der Schweiz verwendet werden, sind deshalb mit einer Celsiusskala versehen. 1.2 Einführung in die Aggregatszustände Stoffe wie beispielsweise Wasser können je nach Temperatur und Druck fest, flüssig oder gasförmig vorliegen. Diese drei Zustandsformen nennt man Aggregatszustände. Durch Wärmezufuhr oder Wärmeentzug lassen sich die Zustände ändern. Beim Abkühlen wird aus einem gasförmigen Stoff beispielsweise ein flüssiger und dann ein fester Stoff. Jeder Stoff (z.B. Wasser, Alkohol) geht bei einer ganz bestimmten Temperatur von einem in den anderen Aggregatszustand über. Im Folgenden kannst du dich näher mit den 3 Zustandsformen von Wasser beschäftigen. Du wirst zum Beispiel herausfinden, bei welcher Temperatur der Stoff Wasser von fest in flüssig (Schmelzpunkt) beziehungsweise von flüssig in gasförmig (Siedepunkt) wechselt. 1 3. Bezirksschule Wärmelehre Versuchsreihe: Aggregatszustände von Wasser Führt die folgenden Experimente zu Zweit oder zu Dritt durch. Protokolliert eure Ergebnisse auf einem Zusatzblatt. Schreibt in ganzen Sätzen! Regeln im Labor 1. Studiere die Versuchsanleitungen genau. 2. Sämtliche Experimente „auf eigene Faust sind verboten! 3. Vor dem Verlassen des Arbeitsplatzes musst du den Bunsenbrenner immer abschalten, denn die Flamme darf nur unter Aufsicht brennen. 4. Überlege vor dem Berühren eines erhitzen Gegenstandes, ob genügend Zeit zum Abkühlen vorhanden war. 5. Achte bitte darauf, dass kein Glas zu Bruch geht. 1. Versuch: Schmelzen von Eis Materialliste: Becherglas, Bunsenbrenner, Schachtel Zündhölzer, Dreifuss, Thermometer, vier bis fünf Stücke Eis Versuchsdurchführung: a.) Gib das Eis ins Becherglas. b.) Stelle das Becherglas auf den Dreifuss. c.) Zünde die Flamme des Bunsenbrenners mit einem Zündholz an. Der Bunsenbrenner wird danach unter den Dreifuss gestellt. d.) Erhitze das Becherglas langsam. e.) Sobald das Eis zu schmelzen beginnt, nimmst du das Becherglas von der Flamme weg und misst die Temperatur. Miss solange, bis alle Eiswürfel geschmolzen sind. Auswertung: Welche Temperatur hast du gemessen? Was hast du beim Messen festgestellt? In welchem Aggregatszustand liegt das Wasser zu Beginn vor? Das Wasser ändert während dem Versuch Aggregatszustand liegt das Wasser am Schluss vor? 2 seinen Zustand. In welchem 3. Bezirksschule Wärmelehre 2. Versuch: Die Kältemischung Materialliste: Becherglas, Löffel, Kochsalz, Thermometer, ca. 5 Eiswürfel Versuchsdurchführung: a.) Gib die Eiswürfel in ein Becherglas. b.) Gib ca. 6 Teelöffel Kochsalz zu dem Eis. So entsteht eine Kältemischung. c.) Miss mit dem Thermometer die Temperatur! Auswertung: Welche Temperatur hast du gemessen? Nach der Zugabe von Salz wechselt der Stoff (Eis) seinen Aggregatszustand. In welchem Zustand liegt der Stoff nämlich vor? Kannst du mit Hilfe dieses Versuches erklären, weshalb man im Winter häufig Salz auf die Strassen streut? Was bezweckt man damit? (Tipp: Denke an die vorherige Frage!) 3. Versuch: Sieden von Wasser Materialliste: Becherglas, Dreifuss, Bunsenbrenner, Schachtel Zündhölzer, Thermometer, Wasser Versuchsdurchführung: a.) Gib wenig Wasser in ein Becherglas. b.) Zünde die Flamme des Bunsenbrenners an. c.) Stelle das Becherglas auf den Dreifuss. Der Bunsenbrenner wird unter den Dreifuss gestellt. d.) Miss die Temperatur, wenn das Wasser siedet. Auswertung: Welche Temperatur hast du bei Punkt d.) gemessen? Was stellst du fest? In welcher Zustandsform ist das Wasser zu Beginn? Welcher Aggregatszustand liegt am Schluss vor? 3 3. Bezirksschule Wärmelehre 4. Versuch: Weshalb beschlägt der Badezimmerspiegel, wenn du eine Dusche nimmst? Materialliste: Becherglas, Dreifuss, Bunsenbrenner, Zündhölzer, Wasser, Glasscheibe Versuchsdurchführung: a.) Verwende das heisse Wasser aus Versuch 3. b.) Sobald das Wasser siedet, hältst du die kalte Glasscheibe über das Becherglas. c.) Beobachte genau, was passiert! Auswertung: Was beobachtest du an der Glasscheibe? Was ist mit dem Aggregatszustand? Erkläre nun, weshalb der Badezimmerspiegel beschlägt, wenn du eine Dusche nimmst! 5. Versuch: Meerwasser erhitzen Materialliste: Becherglas, Dreifuss, Bunsenbrenner, Zündhölzer, Salz, etwas Wasser Versuchsdurchführung: a.) Verwende das heisse Wasser aus Versuch 3 und 4. b.) Gib ca. 4 Teelöffel Kochsalz ins Becherglas. Löse das Salz im Wasser auf ( Meerwasser). c.) Erhitze die Lösung solange, bis alles Wasser verdampft ist. Auswertung: Was bleibt am Schluss im Becherglas zurück? 4 3. Bezirksschule Wärmelehre 1.3 Vertiefung „Änderung der Aggregatszustände Aggregatszustandswechsel von flüssig in gasförmig: verdunsten oder verdampfen? Grundsätzlich wechselt ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, wenn der Siedepunkt erreicht wird. Dies nennt man „verdampfen. Gewisse Flüssigkeiten können aber auch vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand übergehen, ohne ihren Siedepunkt zu erreichen. Dies nennt man „verdunsten. Beispielsweise verdunstet Regenwasser auf einer Strasse, wenn es von der Sonne erwärmt wird. 5 3. Bezirksschule Wärmelehre 1.4 Alles klar? 1. Warum vermischen sich Gase, ohne dass man sie schütteln muss? 2. Welchen Aggregatszustand nimmt ein fester Stoff ein, den man noch weiter abkühlt? 3. Severine meint: „Wasserdampf ist dasselbe wie Nebel! Man braucht sich nur die weissen Wolken beispielsweise vom Kühlturm des Kernkraftwerkes Leibstadt anschauen! Hat sie Recht? Begründe deine Meinung. 4. Warum müssen Metalle zuerst erhitzt werden, bevor man sie verformen kann? Erkläre mit Hilfe des Teilchenmodells! 6 3. Bezirksschule Wärmelehre 5. Man sagt, tiefere Temperaturen als – 40C könnten mit einem Quecksilberthermometer nicht mehr gemessen werden. Was meinst du dazu? (Tipp: S. 12, Abbildung 9) 6. Fülle das folgende Kreuzworträtsel aus! 1. In allen europäischen Staaten werden Temperaturen in der Einheit C gemessen. Wie wird diese europäische Temperaturskala folglich genannt? 2. In welchem Aggregatszustand liegt Alkohol bei 100C vor? 3. Nenne einen Stoff, der für Flüssigkeitsthermometer verwendet wird! 4. Wie wird der Aggregatszustandswechsel von fest in gasförmig genannt. 5. Wie nennt man den Übergang von flüssig in gasförmig, wenn der Siedepunkt erreicht wird! 6. Welcher Stoff hat den tieferen Schmelzpunkt, Erdgas oder Wasser? Lösungswort: Lernziele 5. Du kennst die drei Aggregatszustände von Stoffen. 6. Du kannst die Aggregatszustandsänderungen mit passenden Verben beschreiben und kannst Beispiele von solchen Änderungen nennen. 7. Du kannst die Aggregatszustände auf Teilchenebene beschreiben. 8. Du kannst den Unterschied zwischen verdampfen und verdunsten erläutern. 5. Du kannst an Hand neuer Beispiele erklären, in welchem Zustand sich ein Stoff befindet und beurteilen, was beim Erhitzen/Abkühlen geschehen wird. 7 3. Bezirksschule Wärmelehre 2. Kapitel: Flüssigkeiten werden erwärmt und abgekühlt 2.1 Aufgaben zum Vertiefen a.) Wie funktioniert ein Flüssigkeitsthermometer? Was geschieht, wenn man ein Thermometer „überhitzt? b.) Betrachte die folgende Abbildung. Sie zeigt die Ausdehnung (Volumenzunahme) von je 1 Liter Flüssigkeit bei einer Erwärmung von 20 C auf 21 C. Vervollständige die folgenden Sätze: Wenn Flüssigkeiten gleich stark erwärmt werden, kann man sagen „Heizöl dehnt sich stärker aus als . „Wasser dehnt sich genauso stark aus wie . „Alkohol dehnt sich weniger stark aus als. „Benzol dehnt sich -mal so stark aus wie Wasser. 8 3. Bezirksschule Wärmelehre c.) Warum sollte man im Sommer den Benzintank eines Autos nicht randvoll füllen? Berechne ausserdem die Volumenzunahme, wenn der Tank 70 (entspricht 70 dm3) fasst. (Hinweis: Bei Benzin entspricht die Volumenzunahme bei 1 dm 3 und einer Erwärmung um 1 C genau 1,05 cm3). d.) Formel – 1- Rennwagen tanken im Rennen Benzin, das eine Temperatur von -20C hat. Was ist wohl der Grund? 2.3 Auftrag für zu Hause Führe den folgenden Versuch als Hausaufgabe durch. Versuch: Nimm einen leeren Aluminiumbecher einer Rechaudkerze und fülle ihn randvoll mit Wasser. Stelle ihn auf einem Untersetzer in das Gefrierfach eines Kühlschranks (oder in die Kühltruhe). Nach etwa zwei Stunden ist das Wasser gefroren. Was fällt dir auf? 9 3. Bezirksschule Wärmelehre 3. Kapitel: Wasser macht eine Ausnahme, wenn es gefriert 3.1 Versuch „Eis gefriert Fülle ein Reagenzglas 5 cm hoch mit Wasser. Stelle dann dieses Glas in ein Becherglas, welches mit einer Kältemischung (Eis und Salz) gefüllt ist. Was stellst du nach ungefähr 15 Minuten fest? Wie stark ändert sich das Volumen des Wassers, wenn es gefriert? Miss mit einem Lineal nach. 3.2 Theorie: Was ist die Besonderheit von Wasser? Normalerweise ziehen sich Flüssigkeiten beim Abkühlen und Erstarren zusammen. Das heisst, dass sich das Volumen eines Stoffes verringert. Wasser ist eine grosse Ausnahme. Wenn Wasser abgekühlt wird, dann nimmt zwar sein Volumen bis zu einer Temperatur von 4C ebenfalls ab. Wenn man Wasser jedoch von 4 C aus weiter abkühlt, dehnt es sich wieder aus. Bei 0C wächst sein Volumen sogar „sprunghaft um etwa ein Zehntel an. Dieses Phänomen nennt man Anomalie des Wassers. Wasser hat also bei 4C die grösste Dichte. Aus diesem Grunde können Fische im Winter in den Seen überhaupt überleben. Denn am Seeboden befindet sich das Wasser mit der grössten Dichte, also Wasser mit einer Temperatur von 4 C. Oberhalb dieser Schicht kühlt das Wasser weiter ab und gefriert manchmal sogar. Wenn der See tief genug ist, friert er folglich nie ganz bis zum Boden zu. 3.3 Alles klar? Auftrag: Löse die folgenden Aufgaben auf einem Zusatzblatt. Du bist mit deinem Banknachbarn, deiner Banknachbarin für eine Aufgabe verantwortlich. 1. Warum kann man sagen, dass sich Wasser beim Gefrieren anormal (nicht normal) verhält? 10 3. Bezirksschule Wärmelehre 2. Beschreibe, wie es wegen der kalten Jahreszeit zu den Löchern im Teer auf den Strassen kommt. Gib auch an, weshalb diese Frostaufbrüche vor allem im Frühjahr – und nicht schon im Winter – auftreten. 3. Was bedeutet der Satz „Ein Frostschutzmittel (z.B. Glycerin) setzt den Gefrierpunkt des Kühlwassers herab? Erkläre! 4. Ist es ratsam, eine Flasche Mineralwasser im Tiefkühlfach eines Kühlschranks aufzubewahren? Wie verhält es sich mit 40%-prozentigem Alkohol? 5. Beschreibe, wie es zur Entstehung von Geröllhalden im Hochgebirge kommt. 6. Weshalb eignet sich Wasser nicht als Thermometerflüssigkeit? 7. Springbrunnen in städtischen Anlagen werden im Herbst abgestellt. Begründe. 8. Ein Liter Wasser von 0C wird zu Eis von 0C. Nimmt das Eis jetzt noch den gleichen Raum ein wie vorher, als es flüssig war? 9. Mario erzählt, dass sein Vater dem Wasser der Scheibenwaschanlage Brennsprit beimischt. Er meint, dass dadurch auch das Gefrieren des Wassers verhindert wird. Hat er Recht? Schlage ausserdem einen Versuch vor, mit dem man das überprüfen kann. 1. Du kannst erklären, was beim Abkühlen und Erwärmen einer Flüssigkeit (z.B. Lernziele Brennsprit) normalerweise geschieht. 2. Du kannst erklären, was man unter „Anomalie des Wassers versteht. 3. Du kannst die Temperaturverhältnisse eines Sees sowohl im Sommer als auch im Winter beschreiben. 4. Du kannst an Hand verschiedener Situationen beurteilen, was beim Erstarren des betreffenden Stoffes geschehen wird (z.B. Wasser gefriert im Teer, Frostschutzmittel bei Abkühlung etc.). 11 3. Bezirksschule Wärmelehre 4. Kapitel: Feste Körper werden erwärmt und abgekühlt 4.1 Einstiegsversuch: Kugel mit Ring Eine eiserne Kugel passt zu Beginn ganz genau durch die Ringöffnung. a.) Die Kugel wird nun mit einem Bunsenbrenner erhitzt und erwärmt sich folglich. Was stellst du fest? Erkläre! b.) Kühle die Kugel in einem Becherglas mit kaltem Wasser ab. Was beobachtest du nun? 4.2 Aufgaben zum Üben 1. Öffne das Physikbuch auf Seite 314. Mittels der Tabelle kannst du die Sätze ergänzen: a.) Eisen dehnt sich bei Erwärmung Kupfer. b.) Eisen dehnt sich bei Erwärmung Beton. c.) Kupfer dehnt sich bei Erwärmung Beton. d.) Kupfer dehnt sich bei Erwärmung Gold. e.) Kupfer dehnt sich bei Erwärmung Aluminium. 2. Eine Brücke besteht aus Stahlbeton und hat eine Länge von 800 m. An einem heissen Sommertag erwärmt sie sich um 20 C. Wie stark ändert sich die Länge? Rechne und gib das Resultat in cm an. (Hinweis: Längenausdehnung von 1 Stahlbeton bei Erwärmung um 1 C: 0,012 mm). Berechnung: 12 3. Bezirksschule Wärmelehre 1. Station: Bimetalle Versuch: Bei diesem Versuch arbeitet ihr mit einem Bimetall. Solch ein Bimetall (lat.: zweimal) ist ein Blech, das aus zwei verschiedenen Metallschichten besteht, die fest miteinander verbunden sind. Euer Bimetall besteht aus Eisen und Aluminium: Aluminiumschicht Eisenschicht Befestigt das Bimetall an einem Reagenzglashalter. Erwärmt das Metall über der Kerzenflamme. Was passiert? Weshalb? Kühlt das Bimetall unter dem Wasser kurz ab. Dreht nun das Bimetall, sodass jetzt seine andere Schicht zur Flamme zeigt. Was passiert diesmal beim Erwärmen? Theorieaufgaben a.) Auf dem folgenden Bild siehst du einen heissen Bimetallstreifen aus Kupfer und Eisen. Welches ist die Kupferschicht und welches die Eisenschicht? b.) Welche Metallpaare eignen sich besser zur Herstellung von Bimetallen: Kupfer/Messing oder Eisen/Zink? Weshalb? Tipp: Tabelle auf Seite 314 c.) Bei dieser Anordnung soll der Ausschlag des Bimetallstreifens möglichst gross sein. Wo muss er erwärmt werden? Position 1 oder Position 2? d.) Ein Bimetallstreifen kann als Schalter für den elektrischen Strom eingesetzt werden. Das Bimetall wird nun erwärmt. Was wird bei diesem Versuchsaufbau geschehen? Welche Metallschicht muss oben sein, wenn das Bimetall aus Kupfer und Eisen besteht? 13 3. Bezirksschule Wärmelehre 2. Station: Repetition „Wärmelehre Auftrag: Diese Station dient der Repetition der behandelten Inhalte. Fülle das folgende Kreuzworträtsel aus. Achtung, es gilt: Ä AE, Ü UE etc. Tipp: Verwende die Tabelle im Physikbuch auf Seite 314. Wenn du bei den Bimetallen unsicher bist, schau auf Seite 23 nach. Kreuzworträtselfragen 1. Nenne einen Alltagsgegenstand, bei dem Bimetalle eingebaut werden, um den elektrischen Strom zu schalten? 2. Welcher Stoff (1m) dehnt sich bei einer Erwärmung um 5 C stärker aus? Kupfer oder Silber? 3. Nenne den Fachbegriff für das spezielle Verhalten von Wasser. 4. Betrachte den folgenden Bimetallstreifen aus. In welche Richtung verbiegt er sich beim Erwärmen? Eisenschicht Zinkschicht 5. Betrachte den folgenden Bimetallstreifen. In welche Richtung verbiegt er sich beim Abkühlen? Aluminiumschicht Kupferschicht 6. Fülle ein: Je stärker ein fester Körper erwärmt wird, desto dehnt sich der Körper aus. 7. Wie nennt man den Punkt, bei dem ein Stoff vom festen in den flüssigen Zustand wechselt? 8. Setze ein: Ein fester Körper wird erhitzt. Je der Körper ist, desto grösser ist seine Längenänderung. 14 3. Bezirksschule Wärmelehre 3. Station: Feste Körper werden erwärmt Versuch „Kugel und Ring 1. Testet, ob die Kugel durch die Öffnung passt. 2. Erhitzt die Kugel mit dem Bunsenbrenner. Was geschieht dabei? Erklärt es euch Gegenseitig (mündlich). 3. Kühlt die Kugel in einem Becherglas mit Wasser ab. Was passiert nun? 4. Versucht erneut, ob die Kugel durch die Öffnung passt. Tipp: Falls ihr fachlich unsicher seid, lest auf Seite 23 im Physikbuch nach. Theorieaufgaben a.) Die Spalten in der Fahrbahn einer Brücke bezeichnet man als „Dehnungsfugen. Erkläre diesen Ausdruck! Die beiden folgenden Bilder zeigen die Abdeckung einer Dehnungsfuge. Eine dieser Aufnahmen wurde im Sommer gemacht und eine im Winter. Welches ist die „Sommer-Aufnahme? Begründe. Tipp: Diese Bilder findest du im Physikbuch auf Seite 22 farbig. 1 2 b.) Die Fahrdrähte der Eisenbahn werden durch schwere Betonscheiben gespannt. Die Gewichte hängen mal höher und mal tiefer. Wie kommt das? (Vergleich Winter – Sommer) 15 3. Bezirksschule Wärmelehre 4. Station: Konduktometer Versuch: Beim Erwärmen dehnen sich feste Körper nach allen Seiten aus. Beim Abkühlen ziehen sie sich zusammen. Doch es spielt auch eine Rolle, aus welchem Stoff ein Körper besteht. Wir wollen mit diesem Versuch die folgende Aussage beweisen: Je nachdem, aus welchen Stoffen die Körper bestehen, ist ihre Ausdehnung unterschiedlich. Ihr arbeitet dazu mit einem Konduktometer. Er besteht aus vier verschiedenen Metallen: Messing, Aluminium, Eisen und Kupfer. Befestigt an jedem Metall ein Zündholz. Nun wird der Konduktometer in der Mitte mit dem Bunsenbrenner erhitzt. Was kannst du beobachten? In welcher Reihenfolge entzünden sich die Zündhölzer? Stimmen die beobachteten Ergebnisse mit der „theoretischen Ausdehnung der vier Metalle überein? Überprüfe mit Hilfe der Tabelle auf Seite 314 und trage hier die Ausdehnung der einzelnen Metalle ein: Metall Ausdehnung eines festen Körpers (1m) bei einer Erwärmung um 1 C Messing Aluminium Eisen Kupfer Theorieaufgaben a.) Nachts knackt und ächzt es im Haus, dass es einem direkt unheimlich vorkommen kann. Das hast du bestimmt auch schon einmal festgestellt, wenn du aus irgendeinem Grund an einem Sommerabend nicht einschlafen konntest. Suche nach einer Erklärung, indem du deine Physikkenntnisse anwendest. (Tipp: Beim Haus werden Baumaterialien wie Beton, Backsteine, Holzbalken verwendet). b.) Weshalb können Beton und Eisen problemlos miteinander verbaut werden? (Tipp: S. 314) 16 3. Bezirksschule Wärmelehre 5. Kapitel: Gase werden erwärmt und abgekühlt 5.1 Theorie Gase dehnen sich aus, wenn sie erwärmt werden. Sie ziehen sich zusammen, wenn ihre Temperatur sinkt. Im Gegensatz zu den festen und flüssigen Körpern hängt die Ausdehnung der Gase bei Erwärmung nicht von der Art des Gases ab: 1 Liter Sauerstoff dehnt sich beispielsweise genauso stark aus wie 1 Liter Gas aus dem Brenner. Natürlich nur, sofern beide gleich stark erwärmt werden. Wird ein Gas um 1 C erwärmt, so nimmt sein Volumen um 0C zu. 17 1 273 seines Volumens bei