1.5 Wärmekapazität Die Frage, wieviel Wärme für eine bestimmte Temperaturzunahme benötigt wird, lässt sich durch ein Experiment beantworten. Experiment: Erwärmen von Wasser 101.1 Du brauchst: ein wärmeisolierendes Gefäß, Thermometer, Tauchsieder mit bekannter Leistung P, Uhr (101.1) E3 a) Fülle in das Gefäß eine bestimmte Menge kaltes Wasser. Erwärme das Wasser mit dem Tauchsieder und sorge durch Umrühren für eine gleichmäßige Erwärmung. Miss die Zeitdauer Δt, bis eine gewünschte Temperaturdifferenz ΔT erreicht ist. Wie viel Energie wurde übertragen? E3 b) Wiederhole das Experiment mit unterschiedlichen Wassermengen und mit unterschiedlichen Temperaturdifferenzen. Was schließt du aus diesem Experiment? Der heiße Körper (Tauchsieder) gibt Wärme Q an den kalten Körper (Wasser) ab. Q ist proportional zur erreichten Temperaturerhöhung ΔT und zur Masse m des kalten Körpers. Das Wasser nimmt gleich viel Wärme auf wie der Tauchsieder abgibt, wenn keine Wärmeverluste an die Umgebung auftreten. Wir setzen daher für die vom kälteren Körper aufgenommene Wärme Q an: Q = c·m·ΔT Die Proportionalitätskonstante c heißt spezi sche 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 spezi sche Wärmekapazität wird experimentell bestimmt (101.1). Sie ergibt sich aus der bekannten Leistung P des Tauchsieders und der Heizdauer Δt: Q = P·Δt daher: c = Q __ m·ΔT Präzisionsexperimente ergeben bei einer Temperatur von 20 °C folgende spezi sche Wärmekapazität von Wasser c = 4,18 kJ·K−1·kg−1. Beim Wärmeaustausch zwischen zwei unterschiedlich temperierten Körpern wird die Wärmemenge Q = c·m·ΔT vom kälteren Körper aufgenommen. ΔT ist die Temperaturerhöhung des Körpers, m seine Masse. Bei Gasen macht es einen Unterschied, ob sie in einem druckfesten Gefäß mit konstantem Volumen oder bei konstantem Druck und variablem Volumen erwärmt werden. Die spezifischen Wärmekapazitäten werden mit cv bzw. cp bezeichnet (siehe Tab. 101.3). Frage: Offenbar ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser nur etwa viermal größer als für Luft. Warum lässt sich ein Klassenzimmer leichter erwärmen als ein gleich großes gefülltes Schwimmbecken? Untersuche, überlege, forsche: Leckere Pizza, aber Vorsicht, heiß! 101.1 S4 Eine Pizza mit Schinken und Tomatenstücken wird serviert. Woran verbrennt man sich eher Zunge und Gaumen – am Pizzaboden aus Hefeteig, am Schinken, am geschmolzenen Käse oder an der Tomate? Begründe deine Meinung! 101.2 E2 Bestimme die spezifische Wärmekapazität von Wasser mittels haushaltsüblicher Geräte (z. B. Wasserkocher). Welche Geräte stehen zur Verfügung? Welche Größen musst du messen? Vergleiche dein Versuchsergebnis mit dem Wert in Tab. 101.2. Beurteile die Güte deines Resultats. Stoff c Wasser 4,18 Eis (0 °C) 2,06 Ethanol 2,43 Aluminium 0,90 Eisen 0,45 Gold 0,13 Sand 0,83 Beton 1,00 101.2 Spezi sche Wärmekapazität c verschiedener Stoffe in kJ·K−1·kg−1 (bei 20 °C) Stoff cp cV 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 Kohlenstoffdioxid (CO2) 0,837 0,647 101.3 Spezifische Wärmekapazität cp (bei konstantem Druck) und cv (bei konstantem Volumen) von Gasen in kJ·K−1·kg−1 (bei 20 °C) 101.1 Experiment zur Bestimmung der Wärmekapazität von Wasser. wärmeisolierender Behälter 22 °C Temperatur T m P t 101.4 Spezi sche Wärmekapazitäten im Vergleich 0 1 2 3 4 5 spez. Wärmekapazität in kJ · K-1 · kg-1 Gold Eisen Aluminium Ziegel Beton Luft Styropor Holz Wasser 101 Thermodynamik 1 Atome lieben Wärme Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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