Arbeitsblatt: Wärme Lehre Skript 2

Name: Dossier Natur Technik Wärmelehre Teilchenmodell Aggregatszustände Temperaturmessung Ausdehnung von Stoffen Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmestrahlung Wärmedämmung Lernziele: Kapitel 1: Einführung in die Wärmelehre 1. Du kannst 5 verschiedene Wärmequellen und deren Nutzung im Alltag aufzählen. 2. Du kennst die drei Aggregatszustände von Stoffen. 3. Du kannst die Aggregatszustandsänderungen mit passenden Verben beschreiben und kannst Beispiele von solchen Änderungen nennen. 4. Du kannst die Aggregatszustände auf Teilchenebene beschreiben. 5. Du kannst den Unterschied zwischen Verdampfen und Verdunsten erläutern. 6. Du kannst anhand neuer Beispiele erklären, in welchem Zustand sich ein Stoff befindet und beurteilen, was beim Erhitzen/Abkühlen geschehen wird. Kapitel 2: Temperatur 7. Du kennst zwei verschiedene Temperaturskalen (Celsius, Kelvin), ihre „Herkunft und ihren jeweiligen Nullpunkt. 8. Du kannst Temperaturangaben von Gradcelsius nach Kelvin umrechnen und umgekehrt. 9. Du kennst die Schmelz- und Siedepunkte von Wasser und kannst erklären was man unter Kältemischung versteht. Kapitel 3: Ausdehungsversuche 10. Du kannst erläutern, welche Stoffe sich durch Temperaturänderung zusammenziehen oder ausdehnen 11. Du kannst erklären, was ein Ausdehnungskoeffizient ist. 12. Du kannst erläutern, dass Stoffe unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben 13. Du kannst einfache Rechnungen mit Ausdehnungskoeffizienten lösen Kapitel 4: Drei Arten des Wärmetrasports 14. Du kennst die drei Arten wie Wärmetransportiert werden kann und kannst dazu Beispiele aus dem Alltag nennen. 15. Du kannst die drei Arten des Wärmetransports (Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung) auf der Ebene des Teilchenmodells beschreiben. 16. Du kannst erklären, dass unterschiedliche Stoffe die Wärme unterschiedlich gut leiten Kapitel 5: Wärmedämmung 17. Du kennst den Begriff der Wärmedämmung und kannst den Begriff anhand von Beispielen (Eisbärfell/-haut, Thermoskanne) beschrieben Kapitel 6: Anwendungen im Alltag 18. Du weisst, wie die Wärmeströmung in Flüssigkeiten entsteht und kannst 2 Beispiele für die Nutzung im Alltag nennen. Kapitelübergreifende Lernziele 19. Du kannst Versuche zur Wärmelehre mittel Anleitung durchführen, protokollieren, deine Erkenntnisse aufschreiben und eignen Lösungsansätze für die Durchführung entwerfen. 1. Einführung in die Wärmelehre Wie betrachten gemeinsam das Video: vvpMdJn4T8lg a) Beantworte anschliessend die Frage: Was ist die Physik? b) Wie in der Wissenschaft gibt es auch bei der Physik viele Teilgebiete: Optik, Mechanik, Akustik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre, Kernphysik Ordne die kursiv markierten Begriffe den richtigen Feldern zu und notiere sie jeweils in das entsprechende Kästchen. o o o o o Ausbreitung des Lichts Reflexion von Licht Lichtbrechung Linsensysteme Optische Geräte z.B. das Auge Farben und Spektren Magnetismus Stromkreis Strom und Ladung Spannung, Stromstärke, Wiederstand Leiter, Isolatoren Eigenschaften von Schall: Schallquellen, Ausbreitung, Töne/Klänge, Schallintensität, Schallpegel o o Körpereigenschaften (Masse, Volumen etc.) Kraft/Arbeit(Energie Kraftwandler Drehmoment Energieumwandlung Impuls o o Temperatur Wärme Ausdehnung von Stoffen Energietransport Zustandsänderungen o Atommodelle Aufbau der Materie Radioaktivität Verschiedene Wärmequellen Überlege dir die Art der Wärmequellen und ihre Nutzung im Alltag Wärmequelle Teilchenmodell Nutzung im Alltag Auftrag Gehe auf die folgende Seite und experimentiere mit den Aggregatszuständen. Zeichne und beschreibe den jeweiligen Zustand in die unteren Kästchen. Aggregatszustände Evtl. falls mit Brenner gearbeitet wird Versuche zu Aggregatszuständen 2. Die Temperatur Versuch 1: Temperaturen schätzen Material: 3 Becken/Schüsseln Durchführung: 1. Nimm drei Schüsseln und fülle die erste mit kaltem, die zweite mit lauwarmem und die dritte mit warm-heissem Wasser. 2. Halte gleichzeitig einen Finger in die Schüssel mit kaltem Wasser und einen in die Schüssel mit warmem Wasser. Verharre so etwa eine halbe Minute. 3. Tauche dann beide Hände zusammen in die Schüssel mit lauwarmem Wasser. Beschreibe deine Empfindungen. 4. Schätze die Wassertemperatur in den drei Schalen. Auswertung: Temperaturschätzung: Becherglas Temperaturschätzung: Auftrag 1 Lies den unterstehenden Text sorgfältig durch und markiere wichtige Aussagen mit einem Bleistift. Beantworte anschliessend die Fragen. Wir können Temperaturen über unsere Haut wahrnehmen: Unser Temperaturempfinden („Temperatursinn) ermöglicht es uns nämlich, Temperaturen zwischen 15 und 45 C recht gut voneinander zu unterscheiden. Im Bereich der Körpertemperatur (37 C) ist dieser Temperatursinn besonders gut ausgeprägt. Hohe und niedrige Temperaturen dagegen nehmen wir nur als „heiss oder „kalt wahr. Eventuell empfinden wir zusätzlich auch Schmerz. Wenn wir einen Gegenstand berühren, vergleichen wir seine Temperatur mit der Temperatur, die wir zuvor wahrgenommen haben: Ein Gegenstand erscheint uns wärmer vor. Der Temperatursinn „sagt uns, was wir tun müssen, damit unser Körper seine Temperatur beibehält. Das hängt aber nicht von der Aussentemperatur ab; auch die Temperatur der Hautoberfläche spielt dabei eine Rolle. Der Temperatursinn ist demnach kein „Messgerät. Um Temperaturen genau und zuverlässig (und auch schmerzfrei) bestimmen zu können, setzen wir Thermometer ein. Im Haushalt sind oft Flüssigkeitsthermometer im Eisatz- z.B. im Kühlschrank. Hier dient gefärbter Alkohol als Thermometerflüssigkeit. Es gibt auch Thermometer mit Quecksilberfüllung. Sie sind besonders vorsichtig zu behandeln. Wenn sie zerbrechen, wird nämlich Quecksilber frei – und Quecksilber ist giftig, Wenn Thermometer mit Quecksilberfüllung zerbrechen, muss das Quecksilber mit dafür vorgesehenen Bindemitteln vollständig entfernt werden. Weit verbreitet sind heutzutage elektronische Fieberthermometer mit Digitalanzeige. Überhaupt werden elektronische Thermometer recht häufig verwendet. Manchmal sind sie mit zwei Temperaturfühlern (für Innen- und Aussentemperaturen) ausgestattet. Übungsaufgaben 1. Weshalb ist der Einsatz von Thermometern geeigneter als unser „Temperatursinn? 2. Einige Temperaturen: Mond (beleuchtet): Mond (unbeleuchtet): Glühende Heizkohle: Glühfaden einer Lampe: 150 C -170 C 1100 C 2500 C Bei solchen Temperaturen würde unser Temperatursinn nicht funktionieren, Wir würden-wenn wir mit solchen Körpern in Berührung kämen – nur Schmerzen empfinden, Warum ist es gut so? 3. In der Umgangssprache verwenden wir oft Sätze wie: „ Heute ist es kalt. Wenn die Sonne schein, wird es wärmer. Der Wind ist kühl. Das Wasser ist heiss. Die Suppe ist lauwarm. Schreibe diese Sätze um, indem du jeweils den Begriff Temperatur verwendest. Versuch 2: Thermometer untersuchen (Zeit 5 min) a) Nimm ein Flüssigkeitsthermometer und lies die Temperatur ab: gemessene: Temperatur: C b) Umschliesse die Thermometerkugel mit der Hand. Beobachte dabei die Flüssigkeit im Steigrohr. Lies die Temperatur ab, wenn sich die Thermometerflüssigkeit nicht mehr bewegt. gemessene: Temperatur: C Versuch 3: Temperatur und Zeit Wir untersuchen, wie schnell die Temperatur von Wasser beim Erwärmen ansteigt. Du benötigst folgende Materialien: Stoppuhr, Herdplatter, Thermometer, Wasser, 1 Becherglas 600ml (3 Stück), Handy Ablauf: 1. Fülle 300 ml (kaltes) Leitungswasser in das Becherglas. Miss die Temperatur und trage sie in die 1. Spalte ein. 2. Schalte nun die Herdplatte ein und stelle die Stufe 5 ein. Warte 1-2 min bis die Platte warm ist. 3. Fülle das Wasser nun in den Topf. Starte dabei die Zeit (Handy). 4. Miss nach jeder Minute die Temperatur und trage sie in die Tabelle. Wichtig rühre dabei ab und zu um. Sei bitte vorsichtig! 5. Den Versuch machst du solange bis das Wasser eine Temperatur von 90 C erreicht. 6. Schau auf deine ausgefüllte Tabelle an. Was kannst du anhand deiner Messergebnisse feststellen? Notiere deine Erkenntnisse in 2-3 Sätzen. Messung Nr. Zeit nach dem Einschalten 1 0 Sek. 2. 1min 3. Wassertemperatur 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Versuch 4: Kältemischung Material: 3 Gläser Eis Salz Wasser Drei Thermometer 3 Bechergläser (600ml) Ablauf: 1. Fülle in alle drei Bechergläser 150ml Wasser ein. Nimm dazu kaltes Wasser aus der PET-Flasche. 2. Stelle in jedes Glas ein Thermometer hinein. Miss die Temperatur und trage sie in die Tabelle ein. 3. Füge in das zweite Glas und dritte Glas ca.15 Eiswürfel hinzu. In das dritte Glas gibst du noch 3-4 Teelöffel Salz bei und rührst gut um. Miss die Temperaturen und trage sie in die Tabelle. Wasser Wasser Eiswürfel Wasser Eiswürfel Salz 4. Miss alle 2min die Temperaturen und trage sie in die Tabelle. Was stellst du fest? Notiere deine Beobachtung in 2-3 Sätzen. Messung Nr. Zeit nach dem Einschalten Temperatur Temperatur Temperatur Becherglas Wasser 1 Becherglas: Wasser Eiswürfel Becherglas 1: Wasser Eiswürfel Salz 0 Sek. Auftrag 3 Die Entstehung der Thermometerskala Die Celsius-Skala Die ersten Thermometer hatten ganz unterschiedliche Skalen. So lange für verschiedene Messungen immer dasselbe Thermometer verwendet wurde, konnten die Messwerte miteinander verglichen werden. Unterschiedliche Thermometer ergaben jedoch unterschiedliche Messwerte. Deshalb wurde vorgeschlagen, die Skala müsse sich auf bestimmte Fixpunkte, d.h. auf unter bestimmten Voraussetzungen unveränderliche Temperaturen beziehen. Und diese Temperaturen müssten überall leicht erzielt werden können. Anders Celsius Der holländische Physiker und Mathematiker CHRISTIAAN HUYGENS schlug schon damals vor, man solle bei der Einteilung von Thermometerskalen Eigenschaften des Wassers zu Hilfe nehmen. Die Skalen sollten mit der Schmelztemperatur des Wassers beginnen und mit der Siedetemperatur des Wassers enden. Der Schwede ANDERS CELSIUS (Bild oben) schlug vor, den Abstand zwischen den Temperaturpunkten in 100 gleiche Teile aufzuteilen. In allen europäischen Staaten werden heute die Temperaturen mit den von Celsius vorgeschlagenen Thermometern gemessen. Fixpunkt Zugewiesene Temperatur Die Kelvin-Skala CELSIUS hatte eine Thermometerskala für den Alltagsgebrauch entwickelt. Diese Skala ist für die Arbeit von Wissenschaftlern allerdings nicht sehr geeignet, MinusTemperaturen machen die Rechnungen unnötig kompliziert. So schlug der englische Physiker WILLIAM THOMSON, der später zu LORD KELVIN geadelt wurde, eine Skala ohne Minus-Grade vor. Durch Berechnungen hatte LORD KELVIN herausgefunden, dass es eine Temperatur gibt, die nicht unterschritten werden kann. Auf der CelsiusSkala liegt diese Temperatur bei etwa -273 C, sie wird als absoluter Temperatur-Nullpunkt bezeichnet. LORD KELVIN hat ihr auf seiner Skala den Wert 0 zugeordnet. Die Abstände für 1 Grad hat er aber ebenso gewählt wie CELSIUS. Die Thermometerskala von THOMSON hat sich in der Wissenschaft durchgesetzt. Sie wird zu Ehren ihres Erfinders Kelvin-Skala genannt. Der absolute Temperatur-Nullpunkt wird mit 0 (0 Kelvin) bezeichnet. Fazit: Formel zum Umrechnen zwischen C und K: Übungsaufgaben 1. Rechne die Temperaturen jeweils in die andere Skala um. C K 0 100 273 373 C 0 100 -20 150 K 2. Begründe, warum es unsinnig ist, ein Thermometer mit einer Skala bis -300C zu bauen. 3. Thermische Ausdehnung Ausdehnung von Stoffen Was passiert beim Erwärmen und Abkühlen von Stoffen? Beim Erwärmen. (mache eine Skizze) Beim Abkühlen. (mache eine Skizze) Beim Erwärmen dehnen sich alle Feststoffe Flüssigkeiten Gase aus. Der Ausdehnungskoeffizient: Definition: Der Ausdehnungskoeffizient ist der Faktor, um welchen sich ein Stoff pro Grad Celsius Temperaturunterschied ausdehnt oder zusammenzieht. Feststoffe und Flüssigkeiten: Jeder Feststoff und jede Flüssigkeit hat seinen/ihren eigenen Ausdehnungskoeffizienten. Gase: Alle Gase haben denselben Ausdehnungskoeffizienten. Gase (alle) Alkohol Essig Quecksilb er Wasser Alu Kupfer Eisen Beton Glas Granit 1 273 0,003663 0,0011 0,00107 0,0002 0,0002 0,000024 0,000016 0,000012 0,000012 0,000009 0,000005 Ausdehnung von Stoffen Rechnen mit dem Ausdehnungskoeffizienten 1) Um wie viele cm wächst der 330 hohe Eiffelturm an einem sonnigen Tag bis zum Mittag, wenn die Temperatur am Morgen 10C und am Mittag 35C beträgt? 2) Ein Boiler mit 300 Liter Inhalt wird von 5C auf 65C aufheizt. Wie viele Liter Wasser werden aus dem Boiler gepresst? 3) Ein durchschnittlicher Heissluftballon fasst 4000 m3 Luft. Um wie viele Liter nimmt sein Volumen zu, wenn ich ihn um 15C erwärme? 4. Drei Arten des Wärmetransports Versuch zu Wärmeleitung Versuch zu Wärmeströmung Versuch zu Wärmestrahlung Versuch mit Wärmebildkamera 5. Wärmedämmung Isolationsversuch 6. Anwendungen im Alltag Die Zentralheizung: Durch die Verbrennung von Heizöl, Erdgas oder Holz (früher: Holzkohle) wird Wasser aufgeheizt. Dieses erwärmte Wasser wird durch eine Umwälzpumpe im Haus nach oben gepumpt. So strömt es in jeder Etage und in jedem Zimmer durch die Schlaufen im Fussboden (Fussbodenheizung) oder durch die Heizkörper an der Wand. Die Wärme wird über den Fussboden oder über die Metallrippen der Heizkörper an die Luft abgegeben und durch Wärmeleitung im ganzen Raum verteilt. Das abgekühlte Wasser strömt in den Heizkessel zurück, wo es erneut erwärmt wird. Die Wasserkühlung eines Automotors: Die Zylinderwände eines Motors werden von Kühlwasser umspült. Dieses nimmt die durch Verbrennung freiwerdende Wärmeenergie auf (das Wasser erwärmt sich) und transportiert diese zum Kühler. Dort kühlt der vorbeiströmende Fahrtwind das stark erwärmte Wasser ab. Für langsame Fahrten und Stau wird diese Wirkung durch einen Ventilator unterstützt. Wärmeströmung in Flüssigkeiten Der Kühlschrank Das Grundprinzip Im Kühlschrank ist es so kalt, weil das Kühlmittel innen genauso viel Wärme wegnimmt, wie es aussen auf der Rückseite wieder abgibt. Das geschieht im Innern des Kühlschranks: Das Kühlmittel fliesst in den Gleichzeitig saugt am anderen Ende der das Kühlmittel ab. Durch den Unterdruck das Kühlmittel. Dabei wird benötigt Die Teilchen des Kühlmittels bewegen sich deshalb Diese Energie bezieht das Kühlmittel in Form von aus den Speisen im Kühlschrank. Das geschieht an der Rückwand des Kühlschranks: Der Kompressor den Dampf in den Verflüssiger. Durch Hochdruck das Kältemittel wieder. Dabei wird frei. Die Teilchen des Kühlmittels bewegen sich Diese Energie wird in Form von über die Kühlrippen an die Umgebung abgegeben. Alles klar? – Dann kannst du diese Frage sicher beantworten: Könntest du die Küche im Sommer dadurch kühlen, dass du die Tür des Kühlschranks offenlässt?