Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

100.1 Erwärme eine Mischung aus Eis und Wasser und zeichne ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Temperatur, bis das Eis vollständig geschmolzen ist. 3.2 Phasenübergang fest – flüssig Schmelzen und Erstarren Erwärmt man einen festen Körper, so werden die Schwingungen seiner Moleküle immer heftiger. Schließlich können die Molekularkräfte die Moleküle nicht mehr an festen Plätzen halten. Die geordnete Struktur des Festkörpers bricht bei einer bestimmten Temperatur – der Schmelztemperatur – zusammen, und der Körper wird flüssig, Experiment: Schmelzen von Eis 100.1 E 2 Du brauchst: Gefäß mit Wasser und einigen zerkleinerten Eiswürfeln, Ther- mometer, Rührstab, Heizplatte ( 100.1 ) Stelle durch Umrühren sicher, dass die Wasser-Eis-Mischung 0 °C hat. Erwärme und miss in regelmäßigem Abstand die Wassertemperatur, wobei du immer wieder leicht umrühren solltest. Erstelle ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Wassertemperatur zeigt, und interpretiere es. Während des Schmelzens bleibt die Temperatur gleich, die gesamte zugeführte Energie wird als Schmelzwärme zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den Molekülen benötigt. Beim Abkühlen kehrt sich der Vorgang um. Beim Erstarren wird die zuvor aufgenommene Energie wieder frei. Untersuche, überlege, forsche: Schmelzwärme von Eis 100.1 Wie kannst du das soeben durchgeführte Experiment so erweitern, dass du die Schmelzwärme von Eis näherungsweise bestimmen kannst? E 1 a) Welche Größen musst du messen, bzw. kennen? E 2 b) Plane ein Experiment, in dem warmes Wasser in einem Isoliergefäß eine kleine Menge Eis schmilzt. Welche Größen musst du messen? Die Schmelzwärme pro Kilogramm bei Normaldruck nennt man die spezifische Schmelzwärme. Für Eis ist sie besonders groß. ( 100.2 ) Zum Schmelzen eines Festkörpers wird Wärme (Schmelzwärme) benötigt. Um 1 kg Eis zu schmelzen, ist die Schmelzwärme von 334 kJ erforderlich. Die spezifische Schmelzwärme von Eis (334 kJ · kg −1 ) ist im Vergleich zur spezifi- schen Wärmekapazität von Wasser von 4,18 kJ · kg −1 · K −1 ) sehr groß: Um 1 kg Eis bei 0 °C zu schmelzen, ist ebensoviel Energie notwendig wie für eine anschließende Erwärmung auf 80 °C . Deshalb schmelzen Gletscher im Sommer nicht vollständig. Schnee überdauert wegen der hohen Schmelzwärme längere Perioden warmen Wetters. Auch die Eiswürfel im Getränk schmelzen nur langsam. Untersuche, überlege, forsche: Schmelzen durch Druck 100.2 Das Experiment in 100.3 zeigt, wie eine dünne Drahtschlinge, an der ein Ge- wicht hängt, durch einen Eisblock wandert. Häufig wird das Phänomen so er- klärt: Der Druck des Drahts senkt den Gefrierpunkt, das Eis schmilzt unter dem Draht, der dadurch tiefer sinkt, das Wasser über dem Draht gefriert wieder. Diese Erklärung wird von Experten kritisiert. Das Experiment wird bei Zimmertempera- tur vorgeführt. E 2 a) Vielleicht ist der Draht warm genug, so dass das Eis unter ihm schmilzt? Wie könnte man diese Vermutung überprüfen? W 2 b) Das Gleiten von Schlittschuhen über das Eis wird oft ähnlich begründet: Durch den Druck der Kufen soll sich ein Wasserfilm bilden, der die Reibung her- absetzt. Der Druck der Schlittschuhkufen senkt jedoch den Gefrierpunkt nur um Bruchteile eines Grads – zu wenig, um einen Wasserfilm unter den Kufen zu er- zeugen. Überlege und schätze ab, ob Gleitreibung zwischen Stahl und Eis einen ausreichenden Wasserfilm bilden kann! Stoff kJ/kg °C Blei 25 328 Zinn 60 232 Silber 105 961 Kupfer 205 1 085 Kochsalz 500 801 Eisen 260 1 535 Eis 334 0 100.2 Spezifische Schmelzwärme und Schmelzpunkt einiger Substanzen 100.3 Eine Drahtschlinge wandert durch einen Eisblock 100 WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv