entgegenzuwirken und sich zu bewegen. Ein Teil der Energie wird jedoch auch in Wärmeenergie umgewandelt, die aufgrund der Reibung zwischen dem Schlitten und dem Schnee (sowie der Wärmeenergie aus der inneren Arbeit in den Muskeln der Hunde) entsteht. Diese Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben. 5 W = 1 724 kJ ≈ 0,479 kWh 6 P = 735,75 W ≈ 0,736 kW 1 PS entspricht somit etwa 0,736 kW bzw. vereinfacht ¾ kW. 7 P = 212,55 W W = 3 825,9 J 8 P genutzt = 1 765,8 MW ≈ 1,77 GW Zum Vergleich: Das Donaukraftwerk Freudenau hat eine installierte Leistung von etwa 172MW. Daher ist die durch das Wasser des Niagarafalls nachts genutzte Leistung etwa zehnmal so groß wie die Leistung des Donaukraftwerks Freudenau. 9a) a = 1 . 9 m _ s 2 9b) F = 2 185 N = 2,185 kN 9c) P 18 = 10,9 kW P 45 = 27,3 kW P 90 = 54,6 kW Thermodynamik 1 Atome lieben Wärme, S. 103 Teste dein Wissen 1 Antwort a) ist richtig. 2 Antwort c) ist richtig. 3 Antworten a) und b) sind richtig. 4 Antworten a) und c) sind richtig. 5 Das Thermometer wird mit dem Objekt, dessen Temperatur bestimmt werden soll, in Kontakt gebracht. Zwischen Objekt und Thermometer muss sich ein thermisches Gleichgewicht (Equilibrium) einstellen, d. h. ein Temperaturausgleich muss erfolgen. In diesem Gleichgeweicht darf sich die Temperatur des Objekts nicht merkbar verändern. 6 Antwort c) ist richtig. 7 Antwort c) ist richtig. 8 Antwort c) ist richtig. Rechenaufgaben 1 ΔV ≈ 2,64 m3 Das entspricht etwa 1,1 % des ursprünglichen Raumvolumens. 2 Δl = 0.2772 m ≈ 28 cm Bezüglich der Frage, ob eine genauere Angabe der Höhe sinnvoll wäre, hängt dies vom Kontext ab. Für allgemeine Zwecke ist eine genauere Angabe nicht sinnvoll. Es ist nämlich zu beachten, dass die tatsächliche Höhe des Turms von vielen Faktoren bzw. Umweltbedingungen abhängt. Wenn sehr genaue Messungen oder Berechnungen erforderlich sind, wie z. B. für wissenschaftliche oder technische Zwecke, könnte eine genauere Angabe der Höhe sinnvoll sein. Daher wäre es schwierig, eine einzige „genaue“ Höhe anzugeben. 3 Q tägl = 25 080 kJ ≈ 7 kWh Daher beträgt der jährliche Energiebedarf etwa 2 555 kWh. 4a) P = 313 500 GW 4b) Die Leistung P = 313500GWentspricht ca. 300000 Kraftwerken. 5a) Q = 74 kWh 5b) m = 273 000 kg ≈ 273 m3 6 Q Topf _ Q gesamt = 0,05 Ca. 5% der aufgewandten Energie braucht der Topf. Verluste an die Umgebung wurden nicht berücksichtigt. 2 Phasenübergänge, S. 115 Teste dein Wissen 1 Beispielantwort: Aus der Suppe verdunsten die schnellsten und energiereichsten Moleküle, da sie die anziehenden Molekularkräfte durch genügend hohe kinetische Energien überwinden. Durch Blasen werden sie wegtransportiert, die Suppe wird dadurch schneller abgekühlt, da mehr „Platz“ (der Wind an der Oberfläche der Suppe schafft einen niedrigeren Druck) für neu austretende Moleküle geschaffen wird. 2 Beispielantwort: Der Wind entfernt die aus der Wäsche verdunstenden Wassermoleküle und beschleunigt so das Trocknen. Die bewegenden Luftströme des Windes schaffen mehr „Platz“ (der Wind an der Oberfläche der Wäsche schafft einen niedrigeren Druck) für neu austretende Moleküle. Zusätzlich zieht der Wind auch je nach Kleidungsdicke, Material und Nähtechnik durch die Poren der Textilien. 3 Beispielantwort: Die Sonne erwärmt die Luft und die Oberfläche der Erde. Diese Erwärmung führt dazu, dass Wasser aus Seen, Flüssen, Ozeanen und sogar Bodenflächen verdunstet. Dabei absorbiert das Wasser die Wärmeenergie aus seiner Umgebung und wandelt sich von einer flüssigen in eine gasförmige Form um. Die für diesen Phasenübergang notwendige Energie nennt man Verdampfungswärme. Diese Wärmeenergie wird in den Wassermolekülen gespeichert, während sie in die Gasphase übergehen. Je höher der Wasserdampf in die Atmosphäre aufsteigt, desto mehr kühlt sich dieser aufgrund der kühleren Temperaturen (kühler, da der Druck niedriger wird und die Luftmassen sich „ausdehnen“) ab. Kühlt sich der Wasserdampf unter die Siedetemperatur, so binden die zwischenmolekularen Kräfte die Moleküle erneut aneinander. Der Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser. Dabei gibt er die zuvor aufgenommene Verdampfungswärme als Kondensationswärme wieder ab. 4 Beispielantwort: Das in der Medizin verwendete Chlorethan hat den Siedepunkt bei 13°C. Auf der warmen Haut verdunstet die Flüssigkeit des Sprays rasch, kühlt die Haut und macht sie dadurch weniger empfindlich. (Genauer gesagt betäubt die rasche Kühlung die Nerven an den oberen Schichten der Haut.) 5 Antwort a) ist richtig. 6 Antwort c) ist richtig. 7 Eine reine Substanz wie Wasser kann in verschiedenen Zustandsformen oder Phasen existieren, abhängig von der Temperatur und dem Druck. Die drei Hauptphasen sind fest, flüssig und gasförmig. Unterhalb der kritischen Temperatur, die für Wasser bei etwa 374,15 Grad Celsius liegt, kann Wasser in allen drei Phasen existieren: – Fest (Eis): Bei Temperaturen unter 0 °C ist Wasser in der festen Phase, die wir als Eis kennen. – Flüssig (Wasser): Bei Temperaturen zwischen 0 Grad Celsius und 100°C (bei Normaldruck) ist Wasser in der flüssigen Phase. – Gasförmig (Wasserdampf): Bei Temperaturen über 100 °C (bei Normaldruck) verdampft Wasser und geht in die gasförmige Phase über. Die Dampfdruckkurve trennt die flüssige Phase von der gasförmigen. Am kritischen Punkt verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas. Die thermische Bewegung ist nun so stark, dass die Teilchen auch bei noch größerem Druck nicht an ihre nächsten Nachbarn gebunden bleiben. Über dem kritischen Punkt gibt es nur noch Gas welches so dicht wie eine Flüssigkeit ist. Dies wird auch als überkritisches Fluid bezeichnet 8 Beim Kondensieren von Wasserdampf auf der Haut wird zunächst die Verdampfungswärme (2,2kJ/g) wieder frei. Beim Abkühlen des heißen Wassers auf die Hauttemperatur (30°C) muss für 1g dagegen nur die Energie 70 K·4,18 J/K = ca. 0,3 kJ abgeführt werden. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass bei Kontakt mit Wasserdampf zunächst eine große Menge an Energie durch die Kondensation freigesetzt wird, gefolgt von zusätzlicher Energie, die beim Abkühlen des Wassers auf die Hauttemperatur freigesetzt wird. Dies erklärt, warum Wasserdampf bei gleicher Temperatur schwerere Verbrennungen verursachen kann als flüssiges Wasser. 9 Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit hängt von folgenden Faktoren ab: a) vom äußeren Luftdruck – Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit steigt mit zunehmendem äußeren Druck und sinkt mit abnehmendem äußeren Druck. b) vom Dampfdruck – Wenn der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich dem äußeren Druck entspricht, beginnt die Flüssigkeit zu sieden 10 Luftfeuchtigkeit: Die Luftfeuchtigkeit ist ein Maß für die Menge an Wasserdampf in der Luft. Sie wird oft als Prozentsatz ausgedrückt. Eine Luftfeuchtigkeit von 100 % bedeutet, dass die Luft gesättigt ist und kein zusätzliches Wasser mehr aufnehmen kann. Taupunkt: Wenn z.B. durch Abkühlen die Wasserdampfdichte die jeweilige Sättigungsdichte erreicht, enthält die Luft gesättigten Wasserdampf. Der Dampf beginnt zu kondensieren, er bildet Flüssigkeitströpfchen (Nebel, Wolken, Regen, Tau). Man sagt, dass der Taupunkt erreicht ist. Wolken entstehen, wenn durch Abkühlung feuchter Luft der Taupunkt unterschritten bzw. die relative Luftfeuchtigkeit 100 % erreicht wird. An Kondensationskeimen (auch bekannt als Aerosolpartikel wie Staub oder Salzkristalle) in der Atmosphäre bilden sich erste Tröpfchen. Abkühlung erfolgt durch Aufsteigen warmer Luft oder durch Mischung warmer und kalter Luftmassen. 11 Antwort b) ist richtig. Rechenaufgaben 1 Der Kurvenverlauf besteht aus 5 Teilstücken, die 5 unterschiedlichen Vorgängen entsprechen: – Abschnitt 1: Temperaturanstieg von −10 °C auf 0 °C. In dieser Phase erwärmt sich das Eis. 156 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy ODE3MDE=