13 5 Die Natur der Wärme, die Wärmeenergie Wiederhole die Abschnitte 32, „Die Brown’sche Bewegung“ und 33, „Wärme ist Bewegung von Teilchen“ aus der 2. Klasse. Du hast dort erfahren, dass man sich vorstellt, alle Körper bestehen aus Teilchen. Diese befinden sich in ständiger, ungeordneter Bewegung und besitzen daher kinetische Energie (Bewegungsenergie). Diese Bewegungsenergie aller Teilchen eines Körpers beschreibt seine Wärmeenergie (thermal energy). Je größer die Bewegungsenergie der Teilchen ist, desto höher ist auch die Temperatur des Körpers. Kommen zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur in enge Berührung, so kommt es zum Wärmeaustausch (heat exchange). Durch Zusammenstöße geben die schnelleren Teilchen des wärmeren Körpers Energie an die langsameren Teilchen des kälteren Körpers ab. Beim Abkühlen wird die kinetische Energie der Teilchen kleiner, sie werden langsamer und es wird Wärmeenergie abgegeben. Beim Erwärmen wird die kinetische Energie der Teilchen größer. Sie werden schneller und die Wärmeenergie des Körpers wird größer. Statt von Bewegungsenergie der Teilchen spricht man oft nur von Wärmeenergie oder einfach nur von Wärme. Wie die Bewegungsenergie und die elektrische Energie wird auch die Wärmeenergie in Joule gemessen. Nun wollen wir untersuchen, welche Temperaturerhöhung bei Wasser von einer zugeführten Wärmemenge bewirkt wird: Versuch: Erwärme mit einem Tauchsieder Leitungswasser in einer Thermosflasche. Miss dabei die Dauer der Wärmeenergiezufuhr und die Temperaturerhöhung. Trage die Messergebnisse in eine Tabelle ein. Ein Beispiel für solche Messergebnisse findest du in Tab. 5.1. Die Tab. 5.1 zeigt: Bei gleicher Masse und doppelter Wärmeenergiezufuhr wird die doppelte Temperaturerhöhung erreicht, bei doppelter Masse und gleicher Wärmeenergie die halbe. Eine Rechnung würde ergeben: Für die Erwärmung von 1 kg Wasser um 1 °C ist eine Wärmeenergie von etwa 4200 J = 4,2 kJ notwendig. Für fast alle anderen Stoffe ist die für die Erwärmung von 1 kg um 1 °C benötigte Wärmeenergie kleiner als die des Wassers (Tab. 5.2). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 5.1 Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft bei Zimmertemperatur? (Siehe 2. Klasse Kapitel 3 und 33.) 5.2 Wie weit kann sich ein Körper abkühlen? 5.3 Wie viel kJ sind nötig, um 1 kg Wasser von 0 °C auf 25 °C bzw. von 18 °C auf 100 °C zu erwärmen? 5.4 Warum verwendet man zur Füllung einer Wärmeflasche am besten Wasser? Zeit Stoffmenge Temperatur- erhöhung 140 s 200g Wasser 50 °C 70 s 200g Wasser 25 °C 140 s 400g Wasser 25 °C 5.1 Erwärmung von Wasser mit einem Tauchsieder mit 300 W Leistung (siehe Kap. 63, „Die elektrische Leistung“) Luft bei konstantem Druck 1,0 Wasser 4,1868 ≈ 4,2 Alkohol 2,5 Eis 2,1 Kunststoffe 1,3–1,7 Gestein, feste Erdoberfläche 0,85 Glas, Aluminium 0,85 Eisen 0,46 Kupfer, Messing 0,38 Quecksilber, Gold, Blei 0,13 5.2 Wärmemenge in kJ, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen. Die Zahlenwerte geben auch an, wie viel Wärmeenergie in 1 kg eines Stoffes bei Erwärmung um 1 °C gespeichert werden kann. Was ist Kälte? Die Wärmeenergie eines Körpers entspricht der gesamten Bewegungsenergie der ungeordneten Bewegung seiner Teilchen. Je schneller sich die einzelnen Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur eines Körpers. Die Einheit der Wärmeenergie ist das Joule. Mit etwa 4,2 kJ kann man 1 kg Wasser um 1 °C erwärmen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv
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