AufgabenEntropie1 Europa-GymnasiumWörth

Physik8–Europa-GymnasiumWörthamRhein 1.Auflage,August2015

Autoren:KarinHammann,Dr.HolgerHauptmann,MartinHolländer,Dr.ErikMeinköhn,Dr.ChristianRupp,MarcusRutz-Lewandowski LayoutundRedaktion:Dr.HolgerHauptmann,MarcusRutz-Lewandowski http://physik.egwoerth.de–physik@egwoerth.de ©2015beidenAutoren

TeilemitfreundlicherGenehmigungdesAutorsentnommenaus: „DerKarlsruherPhysikkurs“vonProf.F.Herrmann(www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/Material_KPK.html)

Aufgaben1.1TemperaturundEntropie 1. Untersuche,obindenfolgendenalltagssprachlichenSätzenvonderEntro-

pieodervonderTemperaturdieRedeist.

a)Drinnenisteswärmeralsdraußen!

b)DieWärmegehtvonderHerdplatteindenTopf.ImTopfwirddas Wasserwarm.

c) Ganzschönwarmheute.d) GibmireinengroßenBecherKaffee,ichmussmichaufwärmen!e) DeinKaffeeistheißeralsmeiner!f) WennichdieWärmflascheanmeineFüßepacke,gehtdieWärmein

meineFüße.2. DieLuftineinemZimmerAvon75m3RauminhalthateineTemperatur

von25°C.DieLuftineinemanderenZimmerBmiteinemRauminhaltvon60m3hateineTemperaturvon18°C.WelchesZimmerenthältmehrEnt-ropie?

3. Der Kaffee in einer vollen Kaffeekanne enthält eine Entropiemenge von

3900 Ct. Es wird nun Kaffee in drei Tassen ausgeschenkt, in jede Tassegleichviel.DanachistdieKannenochhalbvoll.WievielEntropiebefindetsichnachdemAusschenkennoch inderKanne?Wievielbefindetsich injederTasse?

Aufgaben1.2Entropieströme 1. EssenundTrinkenhabenvielmitEntropiezutun:

a) BeimKochengehtEntropievonderKochplatteindenTopf.Warum?b) Der Topfwird auf einenUntersetzer auf dem Tisch gestellt. Danach

gehtEntropievomTopfindenUntersetzer.Warum?c) EinegekühlteCola-FlaschewirdaufdenTischgestellt.DerTischwird

anderStelle,wodieFlaschesteht,kalt.Warum?2. EingroßerMetallklotzAhateineTemperaturvon120°C,einkleinerKlotzB

ausdemselbenMetallhateineTemperaturvon10°C.DieKlötzewerdeninKontaktgebracht,sodassEntropievomeinenzumanderenfließenkann.Vonwelchem zu welchem fließt sie? Liegt die Endtemperatur näher bei120°Codernäherbei10°C?

3. VordirliegeneinkleinerheißerMetallklotzundeingroßerkühler.a) Kannstdusagen,welchervonbeidenmehrEntropieenthält?b) DubringstdieKlötzemiteinanderinKontakt.WaspassiertmitTempe-

raturundEntropie?c) WelcherKlotzenthältamEndemehrEntropie?

4. EineTasseheißenTeesstehtaufdemTisch.a) WaspassiertmitderTemperaturdesTees?b) WohingehtdieEntropieausdemTee?c) Welche Temperatur stellt sich am Ende ein?

Aufgaben1.3WärmepumpenundabsoluteTemperatur 1. DieLuftimKühlschrankhatdieTemperatur3°C.DieKühlschlangenhaben

dieTemperatur–2°C.JetztstellstdueineCola-FlascheindenKühlschrank. a)FließtdieEntropievonselbstausderCola-FlascheindieLuft?Begrün-

de.WaspassiertmitderCola-Flasche,wennEntropieausihrheraus fließt?

b) Fließt die Entropie von selbst aus der Luft in die Kühlschlange? Be-gründe.

c) FließtdieEntropievonselbstausderKühlschlangeindieRohrschlan-geaufderRückseitedesKühlschranks?Begründe.

2. RechnediefolgendenCelsiustemperatureninabsoluteTemperaturenum: a) 0°C (SchmelztemperaturdesWassers) b) 25°C (Normaltemperatur) c) 100°C (SiedetemperaturdesWassers) d) –183°C (SiedetemperaturdesSauerstoffs) e) –195,8°C (SiedetemperaturdesStickstoffs) f) –268,9°C (SiedetemperaturdesHeliums) g) –273,15°C(absoluterNullpunkt)

3. Rechne die folgenden absoluten Temperaturen in Celsiustemperaturen

um: a) 13,95K (SchmelztemperaturdesWasserstoffs) b) 20,35K (SiedetemperaturdesWasserstoffs) c) 54,35K (SchmelztemperaturdesSauerstoffs) d) 63,15K (SchmelztemperaturdesStickstoffs)

4. In Abbildung 1-13 ist der

Zusammenhang zwischenEntropieinhaltundTempera-tur für ein StückKupfer von100 g dargestellt. Wie vielEntropieenthält1kgKupferbei einer Temperatur von20°C?

1-13TemperaturalsFunktiondesEntropiein-haltsfür100gKupfer

Aufgaben1.5ThermischeAusdehnung 1. WelcheBeobachtungwürdestduerwarten,wenndubeidemVersuchmit

derEisenkugelnichtnurdieKugelerwärmstsondernauchdasGestellmitdemLochinderMitte?

2. DuwillstdieHöheeinerVasemiteinemAluminiumlinealmessen,das in

der Sonnegelegenhat. Erläutereobdie tatsächlicheHöhederVasegrö-ßer,gleichgroßoderkleineristalsdergemesseneWert.

3. InAbbildung1-21siehstdueinMessingrohr, indemeinKeilsteckt.Wird

eserwärmtlockertsichderKeil.ErwirdimmerwiedermiteinemHammerfestgeklopft.WirddieFlammeentferntunddasRohrvorsichtigmitWasserübergossen,zerbrichtderstabileBolzenausGusseisenamanderenEnde.Erkläre!

4. Die Abbildung 1-22 zeigt schematisch eine Hochspannungsleitung. Begründe

welchederbeidenZeichnungendenSommerundwelchedenWinterdarstellt.

Δl∼ Δϑ

m

Aufgaben1.6Festkörper

1.BeieinemVersucherhältmanuntenstehendeMesswertefürdieLän- genänderungeines1mlangenAluminiumrohrs.ZeichneeinDiagrammmit denMesswerten,legeeineAusgleichsgeradehindurchundbestimmeihre

SteigungalsodenProportionalitätsfaktorα. TemperaturerhöhungΔϑ[°C] LängenänderungΔl[mm] 10 0,23 20 0,50 30 0,74

40 0,93 2. Mitwelcher Längenänderungmussmanbei einem2 km langen Stahlseil

(Eisen)füreinenSkiliftrechnen,wenndieTemperaturvon–15°Cauf+5°Csteigt?

3. UmwievielGradCelsiuswurdeein10mlangerEisenstaberwärmt,wenn

ersichum1,2mmausgedehnthat?4. BerechnedenLängenunterschiedzweierursprünglich30cmlangerMetall-

streifen aus Eisen undAluminium,wenndiese auf der ganzen Länge um80°Cerwärmtwerden.

5. BeimodernerArchitektursetztmanGlasfensteroftinAluminiumrahmen.

Vergleiche die Längenänderung der beiden Materialien bei einem 1 mbreitenFenster füreineTemperaturzunahmeum30°CundbewertedeinErgebnis.

6. Vielleichthastduschoneinmalgesehen,dassbeimGießenvonBetonde-

ckenausStabilitätsgründenMattenausStahlstäbenmiteingegossenwer-den. Könnteman statt der Stahlstäbe auchAluminiumstäbe verwenden?Begründe!

7. ErläuterewelcheMaterialien du kombinierenwürdest, um einen beson-

dersempfindlichenBimetallstreifenzuerhalten.8. EinBimetallstreifenwirderhitzt,Abb.1-30.DieuntereSeitedesStreifens

dehntsichbeimErwärmenstärkerausalsdieobereSeite.BegründewohinsichderStreifenbiegt.ErläuterewasmitdemStreifenpassiert,wennerindenKühlschrankgelegtwird.

9. Abbildung 1-31 zeigt ein einfaches Modell eines Brandmelders, deranfängt zu klingeln, wenn sich ein Bimetallstreifen erhitzt. Erläutere dieFunkti-onsweisedesBrandmelders.

10. InThermostatenfindensichoftBimetallstreifen(rot/blau)alsTemperatur-

regler,Abb.1-32.

a) ErläuterewelcheMetallschichtdiegrößereAusdehnunghabenmuss,damitdieRegelungfunktioniert.

b) Mit dem Temperaturwähler (Pfeil oben rechts) kann die Höhenlagedes unteren Kontakts verändert werden. Erläutere welche Konse-quenzsichfürdieLängederHeizperiodenergibt,wenndieHöhedesunterenKontaktsetwasangehobenwird.

11. IneinemBimetallthermometer(Abb.1-29)sindzweianeinanderbefestig-

teMetallstreifen schneckenförmig eingerollt. BegründewelchesMaterialsichstärkerausdehnt.

1-30EinBimetallstreifenwirderhitzt 1-31EinfacherBrandmelder

1-32BimetallstreifenalsTemperatur-regler

Aufgaben1.7Flüssigkeiten 1. Begründe,warummanmeist Flüssigkeitenundnicht Feststoffe für Ther-

mometerverwendet.2. Berechne, umwie vielml sich dasWasser in einer 1 l-Flasche ausdehnt,

wennesimSommeraufdemArmaturenbrettimAutoliegenbleibtundum10°Cerwärmtwird.

3. Bei einem Präzisionsflüssigkeitsthermometermuss auch die Ausdehnung

desGlasesberücksichtigtwerden.Erläutereobder tatsächlicheWertderTemperatur ohne diese Berücksichtigung kleiner oder größer als der ge-messeneWertist.

4. Skizziere und erläutere wie die Skala einesWasserthermometers im Be-

reichzwischen0°Cund9°Caussehenkönnte.5. ErklärewarumdasWasserineinemBaggerseenichtbiszumBodendurch-

gefrorenist,währenddiesbeidemflachenTeichimGartendurchausderFallseinkann.

Aufgaben1.8Gase

1. Duversuchst,einGurkenglaszuöffnen,dochderDeckelsitztzufest.DeineFreundin hat im Physikunterricht geradeWärmelehre und hat eine Idee:Sie übergießt den Deckel kurzmit heißemWasser. Erläuterewarum dasVorgehendeinerFreundinerfolgsversprechendist.

2. Dein Freund hat eine Strategie um verbeulte Tischtennisbälle wieder

brauchbarzumachen.ErlegtsieinheißesWasser.Wasmeinstdudazu?

3. Schon inderAntikehat der Ingeni-eurHeronvonAlexandriazahlreicheMaschinenkonstruiert,dieaufphy-sikalischen Phänomenen basieren.Sokonnteerz.B.Tempeltürenwievon Geisterhand öffnen, wenn aufdemAltarobeneinFeuerentzündetwird. In dem Gefäß direkt unterdem Altar befand sichWasser, dasübereinRohrindenEimerdanebenfließen konnte. Erkläre die Funkti-onsweisederTempeltüren!(Abb.1-41)

1-41TempeltürendesHeron