Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

3.1 Wärmeaustausch und Wärmekapazität Wenn wir einen heißen und einen kalten Gegenstand in thermischen Kontakt brin- gen, dann fließt Energie vom heißen zum kalten Körper, bis ihre Temperaturen nach einiger Zeit gleich sind. Energie, die von selbst von einem heißen auf einen kalten Körper übergeht, bezeichnet man als Wärme Q (s. S. 84). Wir bestimmen die ausgetauschte Wärme Q im folgenden Experiment: Experiment: Erwärmen von Wasser 99.1 Du brauchst: ein Wärme isolierendes Gefäß, Thermometer, Tauchsieder mit be- kannter Leistung P , Uhr ( 99.1 ) E 1 a) Fülle in das Gefäß eine bestimmte Menge kaltes Wasser. Erwärme das Was- ser mit dem Tauchsieder und sorge durch Umrühren für eine gleichmäßige Erwärmung. Miss die Zeitdauer ∆ t , bis eine gewünschte Temperaturdifferenz ∆ T erreicht ist. Wie viel Energie wurde übertragen? E 1 b) Wiederhole das Experiment mit unterschiedlichen Wassermengen und mit unterschiedlichen Temperaturdifferenzen. Was schließt du aus diesen Experimen- ten? Der heiße Körper (Tauchsieder) gibt Wärme Q an den kalten Körper (Wasser) ab. Die benötigte Wärme ist direkt proportional zur erzielten Temperaturerhöhung Δ T und zur Masse m des kalten Körpers. Das Wasser nimmt gleich viel Wärme auf, wie der Tauchsieder abgibt, wenn keine Wärmeverluste an die Umgebung auftre- ten. Wir setzen daher für die vom kälteren Körper aufgenommene Wärme Q an: Q = c · m ·Δ T . Die Proportionalitätskonstante c heißt spezifische Wärmekapazität des Körpers. Die spezifische Wärmekapazität c eines Körpers gibt an, wie viel Energie zur Erwärmung des Körpers pro Kilogramm und pro Grad benötigt wird. c ist eine Materialeigenschaft. (Einheit: J · K −1 · kg −1 ). Die spezifische Wärmekapazität wird experimentell bestimmt ( 99.1 ). Sie ergibt sich aus der bekannten Leistung P des Tauchsieders und der Heizdauer Δ t : Q = P ·Δ t . Daher: c = Q _ m ·Δ T . Präzisionsexperimente ergeben: Bei 20 °C beträgt die spezifische Wärmekapazität von Wasser c = 4,183 kJ · K −1 · kg −1 . Beim Wärmeaustausch zwischen zwei unterschiedlich temperierten Körpern wird die Wärmemenge Q = c · m · ∆ T vom kälteren Körper aufgenommen. ∆ T ist die Temperaturerhöhung des Körpers, m seine Masse.  Die dem Körper zugeführte Wärme wird einerseits zur Temperaturerhöhung, also zur Erhöhung der Bewegungsenergie seiner Teilchen, andererseits für Arbeit bei der Volumenausdehnung gegen den Umgebungsdruck aufgewandt. Bei Gasen kann man die Ausdehnung verhindern und das Volumen konstant hal- ten. Man erhält dann die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen c V . Erwärmt man das Gas so, dass der Druck konstant bleibt, dann vergrößert sich das Volumen: Für die gleiche Temperaturerhöhung muss mehr Wärme zugeführt wer- den. Die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck c p ist daher größer als die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen (siehe 99.3 ).  Untersuche, überlege, forsche: Tomate auf der Pizza 99.1 S 2 Eine Pizza mit Tomatenstücken wird serviert. Woran verbrennt man sich eher Zunge und Gaumen – am Pizzaboden aus Hefeteig, am Schinken der Auflage, am geschmolzenen Käse oder an der Tomate? Begründe deine Meinung! wärmeisolierender Behälter 22 °C Temperatur T m P t 99.1 Experiment zur Bestimmung der Wärmekapazität von Wasser. Stoff c Wasser 4,183 Eis (0 °C) 2,1 Ethanol 2,43 Aluminium 0,896 Eisen 0,45 Gold 0,13 Sand 0,83 Marmor 0,8 99.2 Spezifische Wärmekapazität c verschie- dener Stoffe in kJ · K −1 · kg −1 (bei 20°C) Stoff c p c V Luft 1,005 0,717 Sauerstoff 0,917 0,656 Stickstoff 1,038 0,741 Wasserstoff 14,32 10,17 Helium 5,23 3,21 CO 2 0,837 0,647 99.3 Spezifische Wärmekapazität von Gasen in kJ · K −1 · kg −1 (bei 20°C) 0 1000 2000 3000 4000 5000 spez. Wärmekapazität in J/kgK Gold Eisen Aluminium Ziegel Beton Luft Styropor Holz Wasser 99.4 Spezifische Wärmekapazitäten im Vergleich 99 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv