Wärmelehre (Niveau G)
Thema Kalorik Temperaturskalen, Thermometer, Aggegatszustände, Ausdehnung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen, Bimetalle, Wasserkreislauf, Anomalie des Wassers, Motoren
Thema Kalorik Temperaturskalen, Thermometer, Aggegatszustände, Ausdehnung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen, Bimetalle, Wasserkreislauf, Anomalie des Wassers, Motoren
Erkläre den Wasserkreislauf mit Hilfe der Abbildung.
Die Wärme der Sonne lässt das Wasser vom Festland und vom Meer verdunsten (flüssig --> gasförmig). Der Wasserdampf steigt zusammen mit der warmen Luft nach oben. In höheren, kälteren Luftschichten kühlt der Wasserdampf ab und kondensiert zu kleinen Wassertröpfchen (gasförmig --> flüssig). Es entstehen Wolken. Diese werden vom Wind davongetragen. Kühlen sich die Wolken noch mehr ab, bilden sich grössere Tropfen. Diese werden so schwer, dass sie in Form von Regen, Schnee oder Hagel wieder auf die Erdoberfläche zurückfallen (gasförmig --> flüssig/fest).
Anomalie des Wassers:
Zwei Flüssigkeiten wurden von 10°C auf 2°C herunter gekühlt. Welche Flüssigkeit ist Wasser? Begründe.
Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Wasser macht eine Ausnahme! Wasser zieht sich bis 4°C zusammen. Wird Wasser noch mehr abgekühlt, dehnt sich Wasser wieder aus. --> daher stellt das rechte Bild Wasser dar.
Warum kann man sagen, dass sich Wasser beim Gefrieren anormal (nicht normal) verhält?
Alle Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Wasser hingegen zieht sich nur bis 4°C zusammen. Anschliessend dehnt sich Wasser wieder aus. --> Man erkennt dies, wenn man z.B. Eiswürfel im Gefrierschrank herstellt.
Beschreibe, wie es in der kalten Jahreszeit zu den Löchern im Teer auf den Strassen kommt. Erkläre, weshalb Frostaufbrüche vor allem im Frühling – und nicht schon im Winter – auftreten.
Studiere die Abbildung.
Ist es ratsam, eine Flasche Wasser (oder anderes Getränk) im Tiefkühlfach eines Kühlschranks aufzubewahren? Wie sieht es mit einer Flasche Schnaps (40 %) aus?
Nein! Wasser sollte man nicht im Tiefkühlfach aufbewahren. Das Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus (Anomalie) und kann die Flasche sprengen.
Ja, Schnaps kann man im Tiefkühlfach lassen. Alkohl dehnt sich beim Gefrieren nicht aus. Ausserdem hat Akohol einen viel tieferen Gefrierpunkt.
Springbrunnen in Städten werden im Herbst über den Winter abgestellt. Weshalb?
Die Wasserleitungen, die zu den Springbrunnen führen, dürfen nicht mit Wasser gefüllt sein. Sind sie mit Wasser gefüllt, kann das Wasser in den Rohren gefrieren und die Rohre zu zerplatzen bringen.
Wie verändern sich die Wassertemperaturen in einem See im Sommer und im Winter?
Was bedeutet das für die Tiere im Wasser?
Sommer: Umso tiefer man taucht umso kälter wird das Wasser. Kaltes Wasser (bis 4°C) ist schwerer als warmes Wasser und sinkt deshalb nach unten. Ausserdem wird das Wasser an der Oberfläche aufgewärmt.
Winter: Das Wasser gefriert an der Oberfläche. Ab 4°C wird Wasser wieder leichter (Anomalie). Das heisst das Wasser ist am schwersten bei genau 4°C. --> Dieses Wasser befindet sich zu unterst. Alles Wasser das kälter als 4°C ist, ist leichter und befindet sich weiter oben im See.
Tiere: Die Lebewesen im See könne im Sommer überall sein. Im Winter hingegen müssen sie zum Überleben an die Wärmste Stelle des Sees. Diese befindet sich zu unterst im See (4°C).
Feste Körper dehnen sich bei der Erwärmung aus. Zwei Punkte spielen dabei eine Rolle, wie stark sich ein Körper ausdehnt. Nenne diese zwei Punkte.
- stärke des Erwärmens (umso stärker ein Körper erwärmt wird, desto grösser ist seine Ausdehnung)
- Material (je nach Material dehnen sich Körper mehr oder weniger aus)
Die Ausdehnung von festen Körpern ist sehr klein. Daher ist die Ausdehnung normalerweise kaum zu erkennen. Dennoch kann sie einge grosse Auswirkung haben.
Nenne zwei Beispiele, wo die Ausdehnung von festen Körpern eine grosse Wirkung hat.
- Brücken
- Stromleitungen von Eisenbahnen
- Eisenbahnschienen
Ergänze die folgenden Sätzen.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Kupfer.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Gold.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Aluminium.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung weniger aus als Kupfer.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung genau gleich aus wie Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung mehr aus als Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung mehr aus als Gold.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung weniger aus als Aluminium.
1m Aluminium wird um 100 °C erwärmt. Wie lange ist jetzt der Aluminiumstab?
1m Aluminium --> dehnt sich um 2.4 mm aus.
Totale Länge: 1m 2.44 mm
1m Eisen werden um 300 °C erhitzt. Wie lange ist jetzt der Eisenstab?
1m Eisen dehnt sich bei 100 °C Erwärmung um 1.2 mm aus.
100 °C --> 1.2 mm
300 °C --> 3.6 mm
= 1m 3.6 mm (= 1003.6 mm)
Eine Brücke besteht aus Eisen. Sie hat eine Länge von 800 m. Bei einem Brand wird sie um 100 °C erhitzt. Wie stark ändert sich die Länge der Brücke?
1m Eisen dehnt sich bei 100 °C Erwärmung um 1.2 mm aus.
1 m Eisen ---> 1.2 mm
800 m Eisen --> 960 mm
Die Brücke wird um 960 mm länger. Das wären 9.6 m!
20 m Porzellan werden um 50 °C erhitzt. Wie verändert sich die Länge des Porzellans?
1m Porzellan wird um 100°C erhitzt --> Ausdehnung 0.3 mm
1m Porzellan wird um 50 °C erhitzt --> Ausdehnung 0.15 mm
20 m Porzellan wird um 50 °C erhitzt --> Ausdehnung 3 mm
Eine Asphaltstrasse ist im Winter bei ca. 10°C genau 500 m lang. Im Sommer wird es 30°C heiss. Die Strasse wird also um 20 °C erhitzt. Wie würde sich die Länge der Strasse ändern?
1m Asphalt --> 100 °C erwärmen --> 20 mm Ausdehnung
1m Asphalt --> 20 °C erwärmen --> 4 mm Ausdehnung
1m Asphalt --> 20 °C erwärmen --> 4 mm Ausdehnung
500 m Asphalt --> 20 °C erwärmen --> 2000 mm Ausdehnung
Die Strasse würde sich um 2000 mm (20 m) ausdehnen.
Unsere Strassen werden aus Asphalt gebaut. Was könnte im Sommer ein Problem dabei sein?
Asphalt dehnt sich sehr stark aus! Die Strassen gehen daher im Sommer schnell kaputtl.
Die Fahrdrähte der Eisenbahn werden durch schwere Betonscheiben gespannt. Die Gewichte hängen mal höher und mal tiefer. Wie kommt das?
Die Fahrdrähte der Eisenbahn müssen immer gespannt sein. Im Sommer dehnen sich die Drähte auseinander. Die Drähte würden in der Mitte durchhangen. Damit dies nicht geschieht, werden Gewichte an den Drähten befestigt. Diese ziehen die Drähte, wenn sie sich ausdehnen, über die Rollen nach unten.
Nachts knackt und ächzt es im Haus, dass es einem direkt unheimlich vorkommen kann. Das hast du bestimmt auch schon einmal festgestellt, wenn du aus irgendeinem Grund an einem Sommerabend nicht einschlafen konntest. Suche nach einer Erklärung.
An einem heissen Sommertag dehnen sich alle Materialien eines Hauses aus (Beton, Eisen, Holz, Fensterscheiben usw.). In der Nacht wird es jedoch kühl. Die Materialien ziehen sich zusammen. Dabei können die Geräusche entstehen.
Die Spalten in der Fahrbahn einer Brücke bezeichnet man als Dehnungsfugen.
- Erkläre diesen Ausdruck.
- Bild 28 und 29 zeigen die Dehnungsfugen im Sommer und im Winter. Welches Bild wurde im Sommer gemacht. Begründe!
1. Eine Dehungsfuge ist eine "Lücke" in der Brücke, die es der Brücke ermöglicht sich auszudehnen oder zusammen zu ziehen, ohne dass die Brücke bricht.
2. Das Bild 28 wurde im Sommer aufgenommen. Die Dehungungsfuge ist beim Bild 29 viel grösser als beim Bild 28. Das heisst, das Metall hat sich zusammen gezogen (grosse Fuge), es muss Winter sein. Beim Bild 28 ist die Lücke viel kleiner. Das bedeutet, das Metall hat sich ausgedehnt. Es muss Sommer sein.
Beim Hausbau werden zur Unterstützung der Betonmauer oft Metallstäbe mit eingebaut. Welches Metall würdest du dazu empfehlen und weshalb?
Die ideale Verbindung mit Beton ist Eisen. Eisen dehnt sich genau gleich stark aus wie Beton. Somit ist das Haus im Sommer und Winter stabil.
Würde man z.B. Messingstäbe statt Eisenstäbe nehmen, würde das Haus auseinander brechen. Messing dehnt sich viel stärker aus als Beton. Die Stäbe würden beim Ausdehnen den Beton aufbrechen.
Nennen den Erfinder des unserigen Thermometers.
Anders Celsius
Erkläre wie ein Thermometer hergestellt werden kann.
Ein Glasrohr wird mit gefärbtem Wasser gefüllt. Für eine Temperaturskala braucht es zwei Fixpunkte. Dazu nimmt man den Schmelzpunkt von Eis (0°C) und den Siedepunkt von Wasser (100°C). Beide Punkte werden auf dem Glasrohr markiert. Anschliessend kann die Skala in 100 Abschnitte unterteilt werden.
Weshalb eignen sich Flüssigkeiten für Thermometer?
Wenn man Flüssigkeiten erwärmt dehnen sie sich aus (das Volumen steigt). Werden Flüssigkeiten abgekühlt ziehen sie sich zusammen (das Volumen sinkt).
Erkläre die Kelvin-Skala.
Die Kelvin-Skala geht von einem absoluten Nullpunkt aus. Die kältest mögliche Temperatur ist der Beginn der Kelvin-Skala --> 0 K (= -273.15°C). Somit gibt es bei der Kelvin-Skala keine negativen Zahlen.
Umrechnen:
Celsius --> Kelvin
Celsius + 273.15 = Kelvin
Umrechnung:
Kelvin --> Celsius
Kelvin - 273.15 = Celsius
Temperatur des Schmelzpunktes von Eis
0°C
Temperatur des Siedepunktes von Wasser
100°C
Temperatur des Siedepunktes von Wasser
100°C
Welche Flüssigkeit in Thermometer eignet sich besonders für das Messen von tiefen Temperaturen und weshalb?
Alkohol: Alkohol hat die Eigenschaft, dass er auch in tiefen Temperaturen (bis -114°C) flüssig bleibt und nicht gefriert. Alkohol ist zwischen -114 bis 78°C flüssig.
Welche Flüssigkeit in Thermometer eignet sich besonders für das Messen von hohen Temperaturen und weshalb?
Quecksilber: Quecksilber eignet sich besonders, weil Quecksilber auch bei hohen Temperaturen noch flüssig bleibt und nicht verdampft. Quecksilber verdampft erst bei 357°C.
Flüssig zwischen -38°C bis 357°C
a) Weshalb eignet sich Wasser eigentlich nicht als Thermometerflüssigkeit?
b) Und weshalb ist in den meisten Thermometern trotzdem Wasser?
a) Wasser gefriert bereits bei 0°C und verdampft bei 100°C. Somit können mit einem Wasser-Thermometer nur Temperaturen im Bereich von 0°C bis 100°C gemessen werden.
b) Für den Alltag reicht ein Wasser-Thermometer längstens aus. In der Schweiz liegen die Temperaturen meistens zwischen 5°C - 25°C.
Ausserdem ist Quecksilber sehr giftig und darf nicht mehr in Thermometern verwendet werden.
Rechne um:
0 °C --> Kelvin
0 °C --> 273 K
Rechne um:
-13 °C --> Kelvin
-13 °C --> 260K
Rechne um:
87 °C --> Kelvin
87 °C --> 360 Kelvin
Rechne um:
- 124 °C --> Kelvin
Rechne um:
- 124 °C --> 149 Kelvin
Rechne um:
19 °C --> Kelvin
Rechne um:
19 °C --> 292 Kelvin
Rechne um:
0 K --> Celsius
Rechne um:
0 K --> -273 °C
Rechne um:
25 K --> Celsius
Rechne um:
25 K --> 298 Celsius
Rechne um:
280 K --> Celsius
Rechne um:
280 K --> 7 °C
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Cartes-fiches
Formel-1-Rennwagen tanken im Rennen Benzin, das eine Temperatur von -20°C hat. Was ist wohl der Grund?
Wenn man das Benzin auf -20°C abkühlt, zieht es sich zusammen. Das Volumen wird viel kleiner. Dadurch passt viel mehr Benzin in den Tank hinein und das Auto muss seltener tanken.
Erkläre den Wasserkreislauf mit Hilfe der Abbildung.
Die Wärme der Sonne lässt das Wasser vom Festland und vom Meer verdunsten (flüssig --> gasförmig). Der Wasserdampf steigt zusammen mit der warmen Luft nach oben. In höheren, kälteren Luftschichten kühlt der Wasserdampf ab und kondensiert zu kleinen Wassertröpfchen (gasförmig --> flüssig). Es entstehen Wolken. Diese werden vom Wind davongetragen. Kühlen sich die Wolken noch mehr ab, bilden sich grössere Tropfen. Diese werden so schwer, dass sie in Form von Regen, Schnee oder Hagel wieder auf die Erdoberfläche zurückfallen (gasförmig --> flüssig/fest).
Anomalie des Wassers:
Zwei Flüssigkeiten wurden von 10°C auf 2°C herunter gekühlt. Welche Flüssigkeit ist Wasser? Begründe.
Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Wasser macht eine Ausnahme! Wasser zieht sich bis 4°C zusammen. Wird Wasser noch mehr abgekühlt, dehnt sich Wasser wieder aus. --> daher stellt das rechte Bild Wasser dar.
Warum kann man sagen, dass sich Wasser beim Gefrieren anormal (nicht normal) verhält?
Alle Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Wasser hingegen zieht sich nur bis 4°C zusammen. Anschliessend dehnt sich Wasser wieder aus. --> Man erkennt dies, wenn man z.B. Eiswürfel im Gefrierschrank herstellt.
Beschreibe, wie es in der kalten Jahreszeit zu den Löchern im Teer auf den Strassen kommt. Erkläre, weshalb Frostaufbrüche vor allem im Frühling – und nicht schon im Winter – auftreten.
Studiere die Abbildung.
Ist es ratsam, eine Flasche Wasser (oder anderes Getränk) im Tiefkühlfach eines Kühlschranks aufzubewahren? Wie sieht es mit einer Flasche Schnaps (40 %) aus?
Nein! Wasser sollte man nicht im Tiefkühlfach aufbewahren. Das Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus (Anomalie) und kann die Flasche sprengen.
Ja, Schnaps kann man im Tiefkühlfach lassen. Alkohl dehnt sich beim Gefrieren nicht aus. Ausserdem hat Akohol einen viel tieferen Gefrierpunkt.
Springbrunnen in Städten werden im Herbst über den Winter abgestellt. Weshalb?
Die Wasserleitungen, die zu den Springbrunnen führen, dürfen nicht mit Wasser gefüllt sein. Sind sie mit Wasser gefüllt, kann das Wasser in den Rohren gefrieren und die Rohre zu zerplatzen bringen.
Wie verändern sich die Wassertemperaturen in einem See im Sommer und im Winter?
Was bedeutet das für die Tiere im Wasser?
Sommer: Umso tiefer man taucht umso kälter wird das Wasser. Kaltes Wasser (bis 4°C) ist schwerer als warmes Wasser und sinkt deshalb nach unten. Ausserdem wird das Wasser an der Oberfläche aufgewärmt.
Winter: Das Wasser gefriert an der Oberfläche. Ab 4°C wird Wasser wieder leichter (Anomalie). Das heisst das Wasser ist am schwersten bei genau 4°C. --> Dieses Wasser befindet sich zu unterst. Alles Wasser das kälter als 4°C ist, ist leichter und befindet sich weiter oben im See.
Tiere: Die Lebewesen im See könne im Sommer überall sein. Im Winter hingegen müssen sie zum Überleben an die Wärmste Stelle des Sees. Diese befindet sich zu unterst im See (4°C).
Feste Körper dehnen sich bei der Erwärmung aus. Zwei Punkte spielen dabei eine Rolle, wie stark sich ein Körper ausdehnt. Nenne diese zwei Punkte.
- stärke des Erwärmens (umso stärker ein Körper erwärmt wird, desto grösser ist seine Ausdehnung)
- Material (je nach Material dehnen sich Körper mehr oder weniger aus)
Die Ausdehnung von festen Körpern ist sehr klein. Daher ist die Ausdehnung normalerweise kaum zu erkennen. Dennoch kann sie einge grosse Auswirkung haben.
Nenne zwei Beispiele, wo die Ausdehnung von festen Körpern eine grosse Wirkung hat.
- Brücken
- Stromleitungen von Eisenbahnen
- Eisenbahnschienen
Ergänze die folgenden Sätzen.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Kupfer.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Gold.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung ___________ als Aluminium.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung weniger aus als Kupfer.
Eisen dehnt sich bei Erwärmung genau gleich aus wie Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung mehr aus als Beton.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung mehr aus als Gold.
Kupfer dehnt sich bei Erwärmung weniger aus als Aluminium.
1m Aluminium wird um 100 °C erwärmt. Wie lange ist jetzt der Aluminiumstab?
1m Aluminium --> dehnt sich um 2.4 mm aus.
Totale Länge: 1m 2.44 mm
1m Eisen werden um 300 °C erhitzt. Wie lange ist jetzt der Eisenstab?
1m Eisen dehnt sich bei 100 °C Erwärmung um 1.2 mm aus.
100 °C --> 1.2 mm
300 °C --> 3.6 mm
= 1m 3.6 mm (= 1003.6 mm)
Eine Brücke besteht aus Eisen. Sie hat eine Länge von 800 m. Bei einem Brand wird sie um 100 °C erhitzt. Wie stark ändert sich die Länge der Brücke?
1m Eisen dehnt sich bei 100 °C Erwärmung um 1.2 mm aus.
1 m Eisen ---> 1.2 mm
800 m Eisen --> 960 mm
Die Brücke wird um 960 mm länger. Das wären 9.6 m!
20 m Porzellan werden um 50 °C erhitzt. Wie verändert sich die Länge des Porzellans?
1m Porzellan wird um 100°C erhitzt --> Ausdehnung 0.3 mm
1m Porzellan wird um 50 °C erhitzt --> Ausdehnung 0.15 mm
20 m Porzellan wird um 50 °C erhitzt --> Ausdehnung 3 mm
Eine Asphaltstrasse ist im Winter bei ca. 10°C genau 500 m lang. Im Sommer wird es 30°C heiss. Die Strasse wird also um 20 °C erhitzt. Wie würde sich die Länge der Strasse ändern?
1m Asphalt --> 100 °C erwärmen --> 20 mm Ausdehnung
1m Asphalt --> 20 °C erwärmen --> 4 mm Ausdehnung
1m Asphalt --> 20 °C erwärmen --> 4 mm Ausdehnung
500 m Asphalt --> 20 °C erwärmen --> 2000 mm Ausdehnung
Die Strasse würde sich um 2000 mm (20 m) ausdehnen.
Unsere Strassen werden aus Asphalt gebaut. Was könnte im Sommer ein Problem dabei sein?
Asphalt dehnt sich sehr stark aus! Die Strassen gehen daher im Sommer schnell kaputtl.
Die Fahrdrähte der Eisenbahn werden durch schwere Betonscheiben gespannt. Die Gewichte hängen mal höher und mal tiefer. Wie kommt das?
Die Fahrdrähte der Eisenbahn müssen immer gespannt sein. Im Sommer dehnen sich die Drähte auseinander. Die Drähte würden in der Mitte durchhangen. Damit dies nicht geschieht, werden Gewichte an den Drähten befestigt. Diese ziehen die Drähte, wenn sie sich ausdehnen, über die Rollen nach unten.
Nachts knackt und ächzt es im Haus, dass es einem direkt unheimlich vorkommen kann. Das hast du bestimmt auch schon einmal festgestellt, wenn du aus irgendeinem Grund an einem Sommerabend nicht einschlafen konntest. Suche nach einer Erklärung.
An einem heissen Sommertag dehnen sich alle Materialien eines Hauses aus (Beton, Eisen, Holz, Fensterscheiben usw.). In der Nacht wird es jedoch kühl. Die Materialien ziehen sich zusammen. Dabei können die Geräusche entstehen.
Die Spalten in der Fahrbahn einer Brücke bezeichnet man als Dehnungsfugen.
- Erkläre diesen Ausdruck.
- Bild 28 und 29 zeigen die Dehnungsfugen im Sommer und im Winter. Welches Bild wurde im Sommer gemacht. Begründe!
1. Eine Dehungsfuge ist eine "Lücke" in der Brücke, die es der Brücke ermöglicht sich auszudehnen oder zusammen zu ziehen, ohne dass die Brücke bricht.
2. Das Bild 28 wurde im Sommer aufgenommen. Die Dehungungsfuge ist beim Bild 29 viel grösser als beim Bild 28. Das heisst, das Metall hat sich zusammen gezogen (grosse Fuge), es muss Winter sein. Beim Bild 28 ist die Lücke viel kleiner. Das bedeutet, das Metall hat sich ausgedehnt. Es muss Sommer sein.
Beim Hausbau werden zur Unterstützung der Betonmauer oft Metallstäbe mit eingebaut. Welches Metall würdest du dazu empfehlen und weshalb?
Die ideale Verbindung mit Beton ist Eisen. Eisen dehnt sich genau gleich stark aus wie Beton. Somit ist das Haus im Sommer und Winter stabil.
Würde man z.B. Messingstäbe statt Eisenstäbe nehmen, würde das Haus auseinander brechen. Messing dehnt sich viel stärker aus als Beton. Die Stäbe würden beim Ausdehnen den Beton aufbrechen.
