Physik Step 46 (neu)
Lernkarten zu Step 46 des Grundlagenfachs Physik: Wärme und Materie (1. Hauptsatz, Wärmekapazität, Wärmetransport, Phasenübergänge, Mischtemperatur).
Lernkarten zu Step 46 des Grundlagenfachs Physik: Wärme und Materie (1. Hauptsatz, Wärmekapazität, Wärmetransport, Phasenübergänge, Mischtemperatur).
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Lernkarten
ΔU = Q + W: Die Änderung der inneren Energie eines Körpers ist gleich der Summe aus zugeführter Wärme Q und am Körper verrichteter Arbeit W – Energie geht nie verloren.
Aus Sicht des Körpers: Was ihm Energie zuführt, zählt positiv (Q > 0: Wärme zugeführt; W > 0: Arbeit am Körper verrichtet), was ihm Energie entzieht, zählt negativ.
Q ≈ 0, W > 0 (Arbeit am Gas) ⇒ ΔU > 0: Die innere Energie steigt, das Gas wird wärmer.
ΔU = Q + W = 300 J + 200 J = 500 J – die innere Energie steigt um 500 J.
Arbeit, die beim Zusammendrücken eines Gases am Gas verrichtet wird (Kolben hinein, Volumen kleiner); aus Sicht des Gases W > 0, die innere Energie steigt.
Arbeit, die ein sich ausdehnendes Gas nach aussen verrichtet (das Gas schiebt den Kolben heraus); aus Sicht des Gases W < 0, die innere Energie sinkt.
Es dehnt sich aus und verrichtet Expansionsarbeit (W < 0), ohne dass Wärme zufliesst (Q = 0) ⇒ ΔU < 0, das Gas kühlt ab.
Q = c ⋅ m ⋅ ΔT (c = spezifische Wärmekapazität des Stoffes, m = Masse, ΔT = Temperaturänderung in K oder °C)
Wie viel Wärme nötig ist, um 1 kg des Stoffes um 1 K zu erwärmen; Einheit J/(kg⋅K). Wasser: c = 4182 J/(kg⋅K) (Formelsammlung).
Q = c ⋅ m ⋅ ΔT = 4182 J/(kg⋅K) ⋅ 2,0 kg ⋅ 60,0 K ≈ 5,0 ⋅ 10⁵ J
Aus P = Q/t folgt t = Q/P – zuerst die nötige Wärme mit Q = c ⋅ m ⋅ ΔT berechnen, dann durch die Leistung teilen.
Wärmeleitung (Metalllöffel in heisser Suppe wird warm), Wärmeströmung/Konvektion (Heizkörper erwärmt die Raumluft), Wärmestrahlung (die Sonne wärmt die Erde durch den leeren Raum).
Wärme fliesst von selbst immer nur vom wärmeren zum kälteren Körper, nie umgekehrt; ein Körper wird durch Kontakt höchstens so warm wie die Wärmequelle.
Nein. Nach dem 2. Hauptsatz fliesst Wärme von selbst nur vom Wärmeren zum Kälteren; das Becken kann höchstens 50 °C erreichen. Der 1. Hauptsatz allein würde es nicht verbieten.
Bei konstantem Volumen (c_V) verrichtet das Gas keine Arbeit, die ganze Wärme erhöht die innere Energie; bei konstantem Druck (c_p) dehnt es sich aus und gibt zusätzlich Expansionsarbeit ab – es braucht mehr Wärme, daher c_p > c_V.
Sie dehnen sich beim Erwärmen kaum aus; die Expansionsarbeit ist vernachlässigbar, der Unterschied zwischen c_p und c_V verschwindet praktisch.
Schräg: Die Temperatur steigt, der Aggregatzustand bleibt (Q = c ⋅ m ⋅ ΔT). Plateau: Die Temperatur bleibt konstant, die Wärme bewirkt einen Phasenübergang (Schmelzen bei 0 °C, Verdampfen bei 100 °C).
Die spezifische Verdampfungswärme L_v = 22,56 ⋅ 10⁵ J/kg ist rund siebenmal grösser als die spezifische Schmelzwärme L_f = 3,338 ⋅ 10⁵ J/kg.
Schmelzen: Q = L_f ⋅ m; Verdampfen: Q = L_v ⋅ m (L_f, L_v in J/kg aus der Formelsammlung). Die Temperatur bleibt dabei konstant.
Q = L_f ⋅ m = 3,338 ⋅ 10⁵ J/kg ⋅ 0,50 kg ≈ 1,7 ⋅ 10⁵ J
Schmelz- und Gefriertemperatur sind dieselbe Temperatur (0 °C, fest ↔ flüssig); Verdampfungs-(Siede-) und Kondensationstemperatur ebenfalls (100 °C, flüssig ↔ gasförmig).
ϑ_m = (m₁ ⋅ ϑ₁ + m₂ ⋅ ϑ₂) / (m₁ + m₂) – aus „abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme“, c kürzt sich bei gleichem Stoff heraus.
ϑ_m = (2,0 kg ⋅ 80,0 °C + 3,0 kg ⋅ 20,0 °C) / 5,0 kg = 220 kg⋅°C / 5,0 kg = 44 °C
Abgegeben = aufgenommen: c ⋅ m_W ⋅ (ϑ_W – ϑ_m) = L_f ⋅ m_E + c ⋅ m_E ⋅ (ϑ_m – 0 °C) – das Eis muss zuerst schmelzen, dann erwärmt sich das Schmelzwasser.
