Check-up – Thermische Energie und Wärme – Lösungen

Valentinas Aussage ist nicht korrekt. Kälte ist keine eigenständige Energieform, die in das Zimmer eindringen kann. Vielmehr entweicht die Wärme aus dem Zimmer durch die offenen Fenster, wodurch die Raumtemperatur sinkt. Es ist also die Wärme, die verloren geht, und nicht die Kälte, die hereinkommt.

a Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen. Je höher die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist, desto mehr Energie wird benötigt, um seine Temperatur zu erhöhen.

b Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von \(4,2\ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{K}}\), während Speiseöl eine spezifische Wärmekapazität von \(1,7\ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{K}}\) hat. Das bedeutet, dass Wasser mehr Wärme speichern kann als Speiseöl, da es mehr Energie benötigt, um seine Temperatur zu erhöhen.

c Da Speiseöl eine geringere spezifische Wärmekapazität als Wasser hat, erwärmt sich Speiseöl schneller als Wasser, wenn beide der gleichen Wärmemenge ausgesetzt sind.

d Gegeben:

Masse des Speiseöls \(m_{\text{Öl}} = 30 \, \text{g}= 0,03\, \text{kg}\)

Masse des Aluminiums \(m_{\text{Al}} = 730 \, \text{g}= 0,73\, \text{kg}\)

Spezifische Wärmekapazität des Speiseöls \(c_{\text{Öl}} = 1,7 \ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{K}}\)

Spezifische Wärmekapazität des Aluminiums \(c_{\text{Al}} = 0,9 \ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{K}}\)

Temperatur vor dem Erhitzen \(\vartheta_{1} = 23\ \mathrm{°C}\)

Temperatur nach dem Erhitzen \(\vartheta_{2} = 120\ \mathrm{°C}\)

Gesucht:

Wärme \(Q\text{ in J}\)

Berechnung:

Die benötigte Wärme lässt sich mit der Formel \(Q=m\cdot c\cdot\Delta T\) berechnen.

Dafür wird zunächst der Temperaturunterschied \(\Delta T\) benötigt: \(\Delta T=\vartheta_{2}-\vartheta_{1}=120\ \mathrm{°C}-23\ \mathrm{°C}=97\ \mathrm{K}\).

Benötigte Wärme, um das Speiseöl zu erhitzen:

\(Q_{\text{Öl}}=m_{\text{Öl}}\cdot c_{\text{Öl}}\cdot\Delta T=0,03\, \text{kg}\cdot 1,7 \ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{K}}\cdot 97\ \mathrm{K}=4,947\ \mathrm{J}\)

Benötigte Wärme, um die Aluminiumpfanne zu erhitzen:

\(Q_{\text{Al}}=m_{\text{Al}}\cdot c_{\text{Al}}\cdot\Delta T=0,73\, \text{kg}\cdot 0,9 \ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{K}}\cdot 97\ \mathrm{K}=63,729\ \mathrm{J}\)

Insgesamt ergibt sich für die benötigte Wärme um das Speiseöl und die Aluminiumpfanne zu erhitzen:

\(Q=Q_{\text{Öl}}+Q_{\text{Al}}=4,947\ \mathrm{J}+63,729\ \mathrm{J}=68,676\ \mathrm{J}\)

Ergebnis:

Um 30 g Speiseöl in einer Aluminiumpfanne (730 g) von 23 °C auf 120 °C zu erhitzen muss 68,676 kJ Wärme zugeführt werden.

Durch das Besprühen der Obstbäume mit Wasser bildet sich tatsächlich Eis, aber dieser Prozess schützt die Blüten vor dem Erfrieren. Beim Gefrieren des Wassers wird Wärme freigesetzt, die sogenannte Kristallisationswärme. Diese Wärme wird an die Umgebung abgegeben und verhindert, dass die Temperatur der Blüten unter den Gefrierpunkt fällt. Dadurch bleiben die Blüten vor Frost geschützt.

Hinweis: Weitere Lösungen sind möglich.

a Das von der Wäsche aufgenommene flüssige Wasser verdunstet, es wird als Wasserdampf in der Umgebungsluft gespeichert.

b Durch das Duschen erwärmt sich die Luft des Badezimmers. In ihr ist Wasser als Wasserdampf gespeichert. Kommt es mit dem kälteren Spiegel in Kontakt, kondensiert es und es bilden sich kleine Tröpfchen – der Spiegel „beschlägt“.

c Beim Erreichen der Siedetemperatur geht das flüssige Nudelwasser in den gasförmigen Zustand über – es siedet. Da dies zumeist am heißen Topfboden zuerst passiert, steigt das Gas nach oben und bildet Gasblasen, die an der der Wasseroberfläche zerplatzen – das Nudelwasser „kocht“.

d Das Wasser im See kühlt ab und geht von flüssig zu fest über, wodurch sich eine Eisschicht bildet. Das Wasser erstarrt.

e Das Wasser in der Pfütze verdunstet im Laufe des Tages und geht von flüssig zu gasförmig über, sodass die Pfütze verschwindet.

Die hohen Temperaturen führen dazu, dass man zu schwitzen beginnt. Der Schweiß verdunstet und entzieht dem Körper dabei Wärme. Das kühlt den Körper. Eine geringe Luftfeuchtigkeit begünstigt dabei die Verdunstung, eine hohe Luftfeuchtigkeit, zum Beispiel durch einen Aufguss, behindert die Verdunstung und damit die Abkühlung.

Während des Schmelzprozesses der Schokolade wird die Temperatur zunächst erhöht, bis sie den Schmelzpunkt erreicht. Während die Schokolade schmilzt, bleibt die Temperatur konstant, obwohl weiterhin Wärme zugeführt wird. Diese zugeführte Wärme, die Schmelzwärme, wird benötigt, um die Bindungen der Teilchen zu lösen und den Aggregatzustand von fest zu flüssig zu ändern. Nachdem die Schokolade vollständig geschmolzen ist, steigt die Temperatur wieder an, wenn weiterhin Wärme zugeführt wird.

a Erwünschte Wärmeübertragung:
– In einer Heizungsanlage, wo Wärme vom Heizkessel durch strömendes Wasser zu den Heizkörpern übertragen wird.
– Beim Kochen, wo die Wärme von der Herdplatte auf den Topf und dann auf das Essen übertragen wird.

Unerwünschte Wärmeübertragung:
– Wärmeverlust durch schlecht isolierte Hauswände im Winter.
– Wärmeübertragung von der Umgebung auf ein gekühltes Getränk im Sommer.

b Maximierung:
– Verwendung von Metallen, die gute Wärmeleiter sind, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, um die Wärmeübertragung zu beschleunigen.
– Erhöhung der Kontaktfläche zwischen den Körpern, um die Wärmeleitung zu verbessern.
– Einsatz von Pumpen oder Ventilatoren, um die Wärmeströmung zu verstärken.

Minimierung:
– Verwendung von Isoliermaterialien wie Styropor oder Glaswolle, die schlechte Wärmeleiter sind, um die Wärmeübertragung zu reduzieren.
– Aufplustern von Vögeln oder das Tragen von Kleidung nach dem Zwiebelschalenprinzip, um die Wärmeleitung und Wärmeströmung zu verringern.
– Anbringen von Dichtungen und Isolierfenstern, um den Wärmeverlust in Gebäuden zu minimieren.

Die Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung kann am Beispiel der Sonne und der Erde erläutert werden. Die Sonne sendet Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, durch den Weltraum zur Erde. Diese Strahlung benötigt kein Medium zur Übertragung und kann den leeren Raum durchqueren. Wenn die Strahlung auf die Erdoberfläche trifft, wird sie absorbiert und in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur der Erde steigt.

Ein weiteres Beispiel ist ein Lagerfeuer: Die Wärme, die man in der Nähe des Feuers spürt, wird durch Wärmestrahlung übertragen. Die Infrarotstrahlung des Feuers erwärmen die Haut, ohne dass ein direkter Kontakt notwendig ist.

Bienen sorgen dafür, dass das Innere des Bienenstocks im Sommer nicht überhitzt, indem sie durch Flügelschlagen einen Luftstrom erzeugen. Dieser Luftstrom führt die thermische Energie aus dem Bienenstock ab und verteilt sie in der Umgebung. Diese Art der Wärmeübertragung nennt man Wärmeströmung. Durch die Bewegung der Luft wird die Wärme effizient abgeführt und die Temperatur im Bienenstock bleibt konstant und angenehm für die Bienen.

a Die Thermoskanne hat eine robuste Außenhülle und einen dichten Verschluss, meist aus Kunststoff. Der doppelwandige Aufbau enthält einen luftleeren Hohlraum als Isolierung. Eine spiegelnde Schicht reflektiert die Wärme, während Schaumstoff oder Kork weitere Dämmung bieten.

b Die Kanne verringert alle Arten des Wärmetransports.
– Wärmeleitung: Die Thermoskanne besteht aus Materialien, die Wärme relativ schlecht leiten. Am stärksten wird die Wärmeleitung aber verringert, weil der Bereich zwischen den Glasschichten des doppelwandigen Glasgefäßes (nahezu) luftleer ist. Denn die Wärmeleitung
ist an einen Stoff gebunden.
– Wärmestrahlung: Die Verspiegelung an der Innenseite der Thermoskanne sorgt dafür, dass das Glas die vom heißen Getränk ausgehende Wärmestrahlung ins Getränk zurückwirft (reflektiert).
– Wärmeströmung: Die Thermoskanne ist ein geschlossenes Gefäß. Dadurch kann sich keine Strömung ausbilden, die Wärme von innen nach außen transportiert. Weil insgesamt also nur sehr wenig Wärme nach außen dringt (s. o.), kann auch nur wenig Wärme durch  Luftströmungen in der Umgebung abtransportiert werden.

c In diesem Fall wird durch die Thermoskanne verhindert, dass (allzu viel) Wärme von außen nach innen gelangt. Es ergeben sich nur kleine Änderungen.
– Wärmeleitung und Wärmeströmung: wie in a beschrieben
– Wärmestrahlung: Je nachdem, aus welchem Material die Thermoskanne besteht, wird die Wärmestrahlung erst auf der Innenseite des doppelwandigen Gefäßes reflektiert. Damit erwärmt sich die Thermoskanne selbst ein wenig.

Die schwarze Metallplatte und das Rohr absorbieren die Wärmestrahlung von der Sonne. Die Wärmedämmung verhindert, dass durch Wärmeleitung Wärme abgegeben wird. Die Glasscheibe verhindert die selbsttätige Wärmeströmung der Luft. Durch Wärmeleitung gelangt die Wärme auf die Innenseite des Rohrs und wird dort an das Wasser abgegeben. Das Wasser transportiert die Wärme durch Wärmeströmung z. B. ins Haus.

Die Ohren sind im Vergleich zum Kopf oder Rücken kühler. Das Ohrläppchen ist die kühlste Stelle des Elefanten. In die Ohren des Elefanten gelangt mit dem Blut besonders viel Wärme. Diese wird über die Bewegung des Ohres an die kühlere Umgebung abgegeben. Je größer seine Ohren des Elefanten, desto mehr Energie wird abgegeben.

Nachts streuen die Wolken die Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche wieder zurück. Ohne Wolken würde sie direkt in den Weltraum gelangen und damit auch die Energie, sodass es ohne Wolken auf der Erdoberfläche kälter wird.

a Die Wassertemperatur im schwarzen Reagenzglas steigt schneller als die im weißen. Die Strahlung der Lampe wird vom schwarzen Reagenzglas besser absorbiert als vom weißen. Die weiße Oberfläche streut einen Teil der Strahlung. Bei der Absorption wird Energie auf das Reagenzglas übertragen, bei der Streuung nicht.

b Durch die Bestrahlung mit der Lampe steigt zu Beginn die Temperatur des Wassers im schwarzen Reagenzglas. Nach etwa 46 Minuten nimmt die Temperatur nicht mehr weiter zu, sie bleibt konstant. Ab diesem Punkt befindet sich das Reagenzglas im Strahlungsgleichgewicht, d. h., das Reagenzglas gibt genauso viel Energie ab, wie es von der Lampe erhält.