Arbeitsblatt: Physik Aufgaben Kalorik + Wärme

lPhysik Aufgaben Kalorik Wärme Aufgabe 33 (Elektrizitätslehre, Arbeit und Leistung) Ein Vertreter bietet Ihnen einen elektrischen Durchlauferhitzer an, der 8 heißes Wasser pro Minute liefern soll. Der Hauptvorteil sei, dass Sie nicht einmal Ihre 10ASicherung auswechseln brauchen. Kaufen Sie das Gerät oder werfen Sie den Kerl hinaus? (Beides mit physikalischer Begründung) Lösung Man werfe den Kerl hinaus. geg.: ges.: 1. Welche Energie (Wärme) ist notwendig, um die angegebene Wassermenge um z.B. 60 zu erwärmen (von 15C auf 75C) Lösung 2. Welche elektrische Energie kann die Leitung bei maximal 10 liefern? Antwort Mit dieser Energie kann man die 8l Wasser um gerade 4 erwärmen. Es ist mit den angegebenen Werten nicht möglich, das Wasser in dieser kurzen Zeit zu erwärmen. Aufgabe 38 (Elektrizitätslehre, Arbeit und Leistung) Ein Durchlauferhitzer kann maximal mit 75 bei 220 Spannung betrieben werden. In welcher Zeit kann er 9l Wasser liefern, wenn dieses von 14C auf 65C erhitzt werden soll? Lösung geg.: ges.: Lösung: 1. Welche Energie ist zum Erwärmen des Wassers notwendig? 2. Wie lange dauert dieser Vorgang? Antwort: Das Wasser ist nach rund 2 min erwärmt Aufgabe 395 (Thermodynamik, Temperatur) Eine Wärmeübertragung von einem Körper auf einen anderen erfolgt nur dann, wenn zwischen den Körpern eine Temperaturdifferenz vorhanden ist. Es ist deshalb vollkommen unverständlich, warum das in eine Schüssel gegossenen Wasser ständig verdampft, obwohl es die Temperatur der umgebenden Luft hat. Denn für die Verdampfung jedes Gramms einer Flüssigkeit ist eine bestimmte Wärmemenge erforderlich, die das Wasser nicht aus der umgebenden Luft aufnehmen kann, da sich Luft und Wasser entsprechend den Versuchsbedingungen auf gleicher Temperatur befinden. Warum ist trotzdem eine Verdampfung möglich? 1 Lösung Im Innern einer Flüssigkeit sind bei beliebiger Temperatur sowohl schnellere als auch langsamere Moleküle vorhanden. Die Verdampfung erfolgt durch den Weggang der schnelleren Moleküle aus der Flüssigkeit, da sie Energien besitzen, die für die Überwindung der Kohäsionskräfte mit dem restlichen Teil der Flüssigkeit ausreichen. Mit dem Weggang der schnellen Moleküle verringert sich die mittlere Geschwindigkeit der verbleibenden Moleküle; damit erniedrigt sich aber auch die mittlere Temperatur der Flüssigkeit. Damit sind die Temperaturen nicht mehr gleich und ein Wärmeaustausch wird möglich Aufgabe 396 (Thermodynamik, Temperatur) Schon die ersten Luftschiffer, die sich relativ wenig über die Erdoberfläche erhoben, stellten eine Erniedrigung der Lufttemperatur fest. In einer Höhe von einigen Kilometern liegen die Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. In noch größerer Höhe beobachtet man aber die sogenannte Inversion, d.h., die Temperatur beginnt wieder anzusteigen, und in einer Höhe von einigen Kilometern haben die Luftmoleküle Geschwindigkeiten, denen Temperaturen von einigen tausend Grad entsprechen. Warum schmelzen und verbrennen dann aber Erdsatelliten nicht, die über einen längeren Zeitraum in solchen Höhen fliegen? Lösung Hoch über der Erde ist die Atmosphäre stark verdünnt, und die Zahl der Moleküle pro Volumeneinheit ist klein. Obwohl also jedes Molekül eine beträchtliche kinetische Energie besitzt, sind zu wenig Teilchen vorhanden, um bei Zusammenstößen mit den Wänden eines Satelliten eine merkliche Energie zu übertragen. Aufgabe 397 (Thermodynamik, Temperatur) Erkläre, warum sich die CelsiusSkala gegenüber der FahrenheitSkala durchgesetzt hat. Lösung Die Fixpunkte der Celsiusskala sind leichter zu reproduzieren. Sie lassen sich mit einfachen Experimenten darstellen: Eiswasser und kochendes Wasser Aufgabe 398 (Thermodynamik, Temperatur) In der Abbildung sind zwei Thermometer und ohne Skala zu sehen. Sie sind mit der gleichen Thermometerflüssigkeit gefüllt. Wie müssen sich ihre Skalen unterscheiden? Welche Bedeutung haben die Unterschiede der Skalen für den Benutzer? Lösung Auf Skala haben die Gradstriche einen größeren Abstand als auf Skala a. Auf Skala kann man deshalb genauer ablesen; Skala erfaßt bei gleicher Skalenlänge den größeren Temperaturbereich. Aufgabe 399 (Thermodynamik, Temperatur) Gib die Temperaturdifferenzen an! Anfangstemperatur 2 Endtemperatur 18,5C 14,2C 13,6C 95,3C 4,2C 7,1C Lösung 1. 76,8 2. 18,4 3. 6,5 Aufgabe 400 (Thermodynamik, Temperatur) Ein zerstreuter Physikprofessor erwacht eines Morgens mit einer fiebrigen Erkältung. Im ganzen Haus kann er kein Thermometer finden; nur eines, dessen Skala völlig unleserlich ist, sonst ist das Gerät in Ordnung. Traurig sitzt er da und blickt aus dem Fenster, wo auf dem Fensterbrett der Schnee in der Morgensonne glitzert. Da kommt ihm eine Idee! Schließlich ist er ja Physikprofessor. Einige Zeit später hat der Gute seine Körpertemperatur auf 38,3C bestimmt. Wie hat er das wohl gemacht? Lösung Thermometer wird einmal in Eiswasser (Schnee Wasser) und in kochendes Wasser gehalten. Beide Stellungen der Thermometerflüssigkeit werden markiert und die dazwischenliegende Strecke in 100 gleiche Teile geteilt. Ob man damit eine Genauigkeit auf 1/10 C erreicht, ist fraglich! Aufgabe 401 (Thermodynamik, Temperatur) Welche Vorteile und welche Nachteile hätte die Verwendung von Wasser als Thermometerflüssigkeit? Lösung Vorteile: in großen Mengen vorhanden, deshalb preiswertes Material, ungefährlich, falls das Thermometer kaputt geht, nutzbar von 4C bis knapp vor der Siedetemperatur, eventuell als Zimmerthermometer. Nachteile: im Temperaturbereich kleiner 4C nicht anwendbar, 3C von 5C nicht unterscheidbar, Zerstörung bei Frost) Aufgabe 402 (Thermodynamik, Temperatur) Versuche es selbst! Fülle eine tiefen Teller mit Wasser. Lege ein Teelicht ins Wasser und zünde es an. Stülpe nun ein hohes Saftglas über das Licht. Beobachte die Kerzenflamme und den Flüssigkeitsstand im Glas und erkläre deine Beobachtungen! Lösung Wenn die Kerze unter dem Glas brennt, passieren zwei Dinge: die Kerze verbrennt den Sauerstoff der Luft zu Kohlendioxid die Luft im Glas erwärmt sich und dehnt sich aus. Dadurch tritt Luft aus dem Glas aus. Ist der Sauerstoff für das Brennen zu wenig geworden, geht die Kerze aus, sie erstickt. Dadurch kühlt die Luft aber wieder ab und zieht sich zusammen. Der nun kleiner werdende 3 Raum wird mit dem Wasser aus dem Teller aufgefüllt, das Wasser steigt im Glas etwas nach oben. Aufgabe 403 (Thermodynamik, Temperatur) Warum soll man beim Ablesen von Flüssigkeitsthermometern die Augen in Höhe des oberen Endes der Flüssigkeit haben? Lösung Schaut man von oben auf das Thermometer, wird die gemessene Temperatur zu niedrig, schaut man von unten, wird die Temperatur zu hoch. Nur wenn man gerade draufblickt, kann man exakt ablesen. Aufgabe 404 (Thermodynamik, Temperatur) Was bedeutet es für die Teilchen eines Körpers, wenn seine Temperatur erniedrigt wird. Wie weit kann man einen Körper abkühlen? Lösung Wird die Temperatur eines Körpers kleiner, schwingen seine Teilchen langsamer. Man kann einen Körper so weit abkühlen, bis seine Teilchen still stehen. Das ist die kleinste mögliche Temperatur (273,15 C) Aufgabe 405 (Thermodynamik, Längenausdehnung) Erkläre, warum sich feste Körper bei Erwärmung ausdehnen. Lösung Beim Erwärmen schwingen die Teilchen schneller, benötigen dadurch mehr Platz und der Körper dehnt sich aus. Aufgabe 406 (Thermodynamik, Längenausdehnung) In einem Stahlblech befindet sich ein kreisrundes Loch, durch daß die Kugel gerade so hindurch passt. Das Blech wird mit Hilfe einer Flamme stark erhitzt. Welche der folgenden Aussagen ist richtig? a) Das Loch wird kleiner, die Kugel passt nicht mehr hindurch. b) Das Loch ändert sich nicht, die Kugel passt weiterhin gerade so hindurch. c) Das Loch wird größer, die Kugel passt jetzt bequem hindurch. 4 Lösung c) ist richtig. Das Loch wird größer. Man stelle sich vor: Ein Stab wird zu einem Kreis gebogen und erwärmt. Dabei wird der Stab länger, der Umfang des Kreises wächst und damit auch das Loch Aufgabe 407 (Thermodynamik, Längenausdehnung) Nach welcher Seite biegt sich ein Bimetallstreifen aus Eisen und Aluminium bei Temperaturerhöhung? Lösung Aluminium dehnt sich stärker aus zur Eisenseite Aufgabe 408 (Thermodynamik, Längenausdehnung) Ein Stahlniet, der zwei Bleche verbindet, besitzt bei einer Temperatur von 20C eine Länge von 8,46 mm. Er wird bei einer Temperatur von 600C eingelegt. Um wieviel zieht er sich beim Abkühlen dann zusammen? Lösung geg.: Lösung: Antwort: ges.: Der Niet zieht sich um 0,054 mm zusammen. 5