2.5 Thermische Energie. Wärmekapazität
- Autor:
- R. Kanevski
In den vorangegangenen Kapiteln hast du dich mit der Temperatur und Teilchenbewegungs beschäftigst und erfahren, welche Aggregatzustände Stoffe annehmen können und wie die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen durch Energiezufuhr oder Energieentnahme stattfinden.
Sommer, Sonne, Sonnenschein!
An heißen Tagen erwärmt die Sonne das Wasser im Freibad um einige Grad. Warum ist die Temperatur im Planschbecken aber stets höher als die des Schwimmbeckens? Warum sind eiserne Gullydeckel viel heißer als die Steinplatten auf dem Boden? Alle bekommen doch von der Sonne gleich viel Energie!
In diesem Kapitel wollen wir herausfinden, wovon die Temperaturerhöhung abhängt, wenn ein Körper Energie absorbiert und dadurch seine innere Enerie zunimmt.
Erarbeitung
Du weißt, dass Energie von einem Körper mit einer höheren Temperatur zu einem Körper mit einer niedrigeren Temperatur von allein übergeht:
Die einem Körper durch die Wärmestrahlung zugefügte Energie bewirkt eine Vergrößerung seiner inneren Energie. Wird die zugeführte Energie vollständig in den Anteil "Bewegungsenergie der Teilchen" umgewandelt, dann steigt die Temperatur des Körpers. Um den genauen Zusammenhang zwischen zugefügter Energie und Der Temperatursteigerung zu erhalten, müssen beide Größen gleichzeitig bestimmt werden.
Versuch: Das Wasser wird mit einem Tauchsieder erwärmt.
Erwärmt werden 100 g Wasser. Die Temperatur wird mit einem Thermometer gemessen.
Der Tauchsieder ist der Energielieferant. Auf seinem Typenschild steht, wie viel Energie er abgibt: In jeder Sekunde sind es 150 J.
Energiezufuhr und Temperaturänderung
In der Tabelle 1 sind die Messwerte festgehalten.
Teste dich
Vergleiche die Koeffiziente in der Tabelle 1. Was stelst du fest?
WERDE AKTIV I
1. Stelle die in der Tabelle 1 angegebenen Werte für die zugeführte Energie und der Temperaturänderung in einem dar.
2. Gib an welcher Zusammenhang sich erkennen lässt.
3. Lies aus dem Diagramm zuzuführende Energie für eine Temperaturänderung von 10 K, 20 K, 30 K ab.
Natürlich ist im Schwimmbecken mehr Wasser erhalten als im Planschbecken. Vermutlich hat auch die Menge des Wassers das erwärmt wird, einen Einfluss auf die Temperatursteigerung. Um das zu untersuchen weird verschiedenen Wassermengen mit dem Tauchsieder Energie zugeführt und gemessen, wie viel Energie für eine Temperatursteigerung um jeweils 10K nötig ist.
Energiezufuhr und Masse
Teste dich
Vergleiche Koeffiziente in der Tabelle 2
WERDE AKTIV 2
1. Stelle die in der Tabelle 2 angegebenen Werte für die zugeführte Energie E und Masse des Wassers m in einem m-E-Diagramm dar.
2. Gib an welcher Zusammenhang sich erkennen lässt.
3. Lies aus dem Diagramm die zuzuführende Energie für eine Masse von 120 g, 240 g ab.
Übertrage in dein Heft:
Wir fassen nun die Ergebnisse aus deinem Diagramm 1 und 2 zusammen:
1. Zugefügte Energie und Temperaturerhöhung sind proportional, wenn keine Zustandsänderung stattfindet (also nicht z. B. Wasser zum Dampf wird).
2. Die für die bestimmte Temperaturänderung zuzuführende Energie ist zur Masse des Körpers proportional.
WERDE AKTIV 3
Begründe am Teilchenmodell, warum die für eine bestimmte Temperaturänderung nötige zuzuführende Energie der Masse proportional sein muss.
Aus der Auswertung der Versuche zur Bewegungsenergie und Höhenenergie ist dir bekannt, dass wenn zwei Größen einer dritten Größe proportional sind, dann ist das Produkt dieser zwei Größen ebenso proportional zu der dritten Größe:
Jetzt geht es darum den Proportionalitätsfaktor zu bestimmen bzw. rauszufinden, welche Bedeutung der Proportionalitätsfaktor hat.
Hier hilft uns deine Alltagserfahrung z. B. aus dem Schwimmbad:
Du hast sicherlich bemerkt, dass an einem heißen Sommertag man unproblematisch auf dem Holz barfuß stehen kann, der gepflasterte Gehweg oder der Sand nahzu unerträglich heiß wird?
Dabei erhalten die von der Sonne die gleiche Energiemenge.
Es hängt also vom Stoff ab, welche Temperaturerhöhung durch die gleiche Energiezufuhr bewirkt wird.
Jetzt geht es darum den Proportionalitätsfaktor zu bestimmen bzw. rauszufinden, welche Bedeutung der Proportionalitätsfaktor hat.
Hier hilft uns deine Alltagserfahrung z. B. aus dem Schwimmbad:
Du hast sicherlich bemerkt, dass an einem heißen Sommertag man unproblematisch auf dem Holz barfuß stehen kann, der gepflasterte Gehweg oder der Sand nahzu unerträglich heiß wird?
Dabei erhalten die von der Sonne die gleiche Energiemenge.
Es hängt also vom Stoff ab, welche Temperaturerhöhung durch die gleiche Energiezufuhr bewirkt wird.
Übertrage in dein Heft:
3. Die für eine bestimmte Temperaturerhöhung zuzuführende Energie hängt vom Stoff des Körpers ab.
Diese Eigenschaft des Körpers wir spezifische Wärmekapazität genannt und mit dem Formelzeichen c dargestellt.
Masseinheit dafür ist kJ/(kg K) s. Tabelle.
Der Wert der spezifischen Wärmekapazität sagt aus, wie viel Energie einem 1 kg-Körper zugeführt werden muss, um seine Temperatur um 1K zu erhöhen.
Wird Körpern gleicher Masse die gleiche Energiemenge zugefügt, dann steigt dessen Temperatur am Höchsten, dessen spezifischer Wärmekapazität am kleinsten ist, denn er braucht pro Kelvin Temperaturerhöhung die wenigste Energie.
Übertrage in dein Heft:
3. Die für eine bestimmte Temperaturerhöhung zuzuführende Energie hängt vom Stoff des Körpers ab.
Diese Eigenschaft des Körpers wir spezifische Wärmekapazität genannt und mit dem Formelzeichen c dargestellt.
Masseinheit dafür ist kJ/(kg K) s. Tabelle.
Der Wert der spezifischen Wärmekapazität sagt aus, wie viel Energie einem 1 kg-Körper zugeführt werden muss, um seine Temperatur um 1K zu erhöhen.
Wird Körpern gleicher Masse die gleiche Energiemenge zugefügt, dann steigt dessen Temperatur am Höchsten, dessen spezifischer Wärmekapazität am kleinsten ist, denn er braucht pro Kelvin Temperaturerhöhung die wenigste Energie.
WERDE AKTIV 4
1. Begründe anhand der Tabelle 3 warum der Sand bzw. der Stein sich anders aufwärmen in der Sonne als Eisen.
2. Beurteile, was sich stärker aufwärmt, bei gleicher Masse und gleicher Energiezufuhr Wasser oder Öl (Petroleum)? Begründe deine Meinung.
3. Erläutere im Teilchenbild, warum jeder Stoff einen eigenen Wert für die spezifische Wärmekapazität hat.
Zusammenfassung. Übertrage in dein Heft.
Die besprochenen Zusammenhänge können in einer Energie-Temperatur-Gleichung zusamengeführt werden.
Solange keine Zustandsänderungen auftreten, hängen die Änderungen der inneren Energie einer Körpers mit der Masse, spezifischen Wärmekapazität sowie von der Temperaturerhöhung des Körpers zusammen.
