Warm-up – Thermische Energie und Wärme – Lösungen

Im Teilchenmodell bewegen sich die Duftstoffteilchen ungeordnet und ständig. Wenn du Parfüm in der Ecke eines Raumes versprühst, verteilen sich die Duftstoffteilchen durch ihre ständige Bewegung im gesamten Raum. Die Duftstoffteilchen stoßen dabei immer wieder mit den Luftteilchen zusammen und breiten sich so aus, bis sie überall im Raum vorhanden sind.

Lisas Aussage ist teilweise korrekt, aber nicht vollständig. Die Teilchen eines Körpers haben einige ähnliche Eigenschaften wie Billardkugeln, da sie sich bewegen und miteinander kollidieren können. Allerdings sind die Teilchen, wie Lisa sagt, viel kleiner und ihre Bewegungen sind ungeordnet und ständig, im Gegensatz zu den kontrollierten Bewegungen von Billardkugeln. Zudem haben die Teilchen Bindungen und Wechselwirkungen, die bei Billardkugeln nicht vorhanden sind. Daher ist Lisas Vergleich nur eine vereinfachte Darstellung und berücksichtigt nicht alle Aspekte des Teilchenmodells.

a Im festen Aggregatzustand liegen die Teilchen eng beieinander und haben eine starke Bindung untereinander. Im flüssigen Aggregatzustand liegen die Teilchen ebenfalls eng beieinander, sind aber gegeneinander verschiebbar und haben eine schwächere Bindung.

b Für eine Vermutung gibt es keine konkrete Lösung. Eine Vermutung könnte sein:

Um den Aggregatzustand eines Körpers von fest nach flüssig zu verändern, ist es physikalisch notwendig, die Temperatur zu erhöhen. Dadurch bewegen sich die Teilchen schneller und die Bindungen zwischen ihnen werden schwächer, bis sie gegeneinander verschiebbar sind.

c Beispiele aus dem Alltag, wo dieser Wechsel des Aggregatzustands vorkommt, sind das Schmelzen von Eis zu Wasser und das Schmelzen von Butter in einer Pfanne.
Hinweis: Weitere Beispiele sind möglich.

Nr. 1: Geeignet für die Messung der Außentemperatur oder in Kühlschränken und Gefriertruhen. Begründung: Der Messbereich deckt Temperaturen ab, die im Winter und Sommer als auch in Kühlschränken und Gefriertruhen vorkommen können, und die Genauigkeit von 1 °C ist ausreichend für allgemeine Temperaturmessungen im Alltag.

Nr. 2: Geeignet für die Messung der Körpertemperatur. Begründung: Der Messbereich entspricht der typischen Körpertemperatur und die hohe Genauigkeit von 0,1 °C ist notwendig für medizinische Anwendungen.

Nr. 3: Geeignet für die Messung von Außentemperaturen im Sommer und Winter. Begründung: Der Messbereich deckt ein breites Spektrum von Temperaturen ab, die sowohl im Sommer als auch im Winter vorkommen können, und die Genauigkeit von 1 °C bis 2 °C ist ausreichend für allgemeine Wetterbeobachtungen und bietet genug Informationen für z. B. die Auswahl der Kleidung.

Nr. 4: Geeignet für die Messung von Temperaturen in der Küche oder in industriellen Anwendungen. Begründung: Der Messbereich deckt hohe Temperaturen ab, die beim Kochen und in vielen industriellen Prozessen vorkommen, und die Genauigkeit von 1 °C bis 2 °C ist ausreichend für diese Anwendungen.

Hinweis: Weitere Anwendungsbereiche sind mit einer guten Begründung möglich.

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b Diagramm folgt

c Der Kurvenverlauf zeigt eine gleichmäßige Zunahme der Temperatur, da es sich um eine Gerade handelt. Mit dem Teilchenmodell erklärt, bedeutet dies, dass die Teilchen des Wassers sich zunehmend schneller und heftiger bewegen, je mehr Wärmeenergie zugeführt wird. Die ungeordnete Bewegung der Teilchen nimmt zu, was zu einer Erhöhung der Temperatur führt.

d Die Heizplatte wandelt elektrische Energie in thermische Energie um, die an das Wasser übertragen wird.

Energieflussdiagramm folgt

e Für eine Vermutung gibt es keine konkrete Lösung. Eine begründete Vermutung könnte sein:

Das Volumen des Wassers dehnt sich bei weiterer Erwärmung aus, da die Teilchen sich schneller bewegen und mehr Raum einnehmen.

Um dies nachzuweisen, könnte man einen Versuch durchführen, bei dem man das Wasser in einem geschlossenen Behälter mit einem beweglichen Kolben erhitzt und die Volumenänderung des Wassers beobachtet.

a Das Diagramm zeigt die Uhrzeit auf der horizontalen Achse und die Temperatur in °C auf der vertikalen Achse. Durch die Temperaturwerte verläuft eine Ausgleichskurve.

b Der Temperaturverlauf zeigt, dass die Temperatur ab Mitternacht bis 4:00 Uhr leicht abnimmt. Bis zum Nachmittag steigt sie, erreicht ihren Höhepunkt und fällt danach wieder ab.

c Die um 14:00 Uhr gemessene Temperatur beträgt 29 °C, da der Messwert in der Mitte zwischen 28 °C und 30 °C liegt.

d Die Temperatur erreichte ihren höchsten Betrag um 16:00 Uhr.

e Individuelle Lösung

Vorgehensweise: Miss die Temperatur bei dir zu Hause von morgens bis abends in einem Zeitintervall von einmal pro Stunde. Trage die Wertepaare aus Zeit und Temperatur in ein Diagramm ein und zeichne eine Ausgleichskurve.

f Individuelle Lösung für den Vergleich mit dem Diagramm von Sam.

Eine sinnvolle, begründete Vermutung könnte sein:

g Individuelle Lösung für die Beschreibung der Durchführung der Messung.

Aspekte, die zu einer falschen Messung führen könnten, sind z.B. direkte Sonneneinstrahlung auf das Thermometer, ungenaue Ablesung der Skala oder Temperaturschwankungen durch offene Fenster oder Türen.

h Hypothesen zu externen Faktoren, die den Temperaturverlauf während des Tages beeinflusst haben könnten, sind z. B. Sonneneinstrahlung, Bewölkung, Wind, Regen oder die Nähe zu Wärmequellen wie Heizungen oder elektronischen Geräten.