Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1997/98

Aufgabe 5 Thermodynamik

5.1 Schülerexperiment

Aufgabe: Untersuchen Sie den Temperaturverlauf beim Erwärmen von 100 g Wasser in einem Zeitraum von 5 min.

Vorbereitung:        Wärmen Sie die Heizplatte einige Minuten vor.
Der Temperaturverlauf ist in Abständen von 30 s zu beobachten.
Bereiten Sie eine entsprechende Meßwerttabelle vor.

Durchführung:       1 . Bestimmen Sie die Anfangstemperatur des Wassers.
2. Führen Sie die weiteren Temperaturmessungen während der Erwärmung durch. Notieren Sie Ihre Meßwerte.

Auswertung:         1 . Stellen Sie die Temperatur des Wassers in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm dar.
2. Formulieren Sie in Worten den Zusammenhang zwischen den beiden Größen.

5.2 Wirkungsgrad der Versuchsanordnung

5.2.1 Berechnen Sie die in 5 min von der Heizplatte abgegebene Energie. (Die Leistung der Heizplatte wird Ihnen vom Lehrer mitgeteilt.)

5.2.2 Berechnen Sie die vom Wasser aufgenommene Energie.

5.2.3 Berechnen Sie den Wirkungsgrad.

5.2.4 Begründen Sie, warum die Versuchsanordnung nicht den Wirkungsgrad 100 % erreicht.

5.2.5 Geben Sie eine mögliche Änderung der verwendeten Versuchsanordnung an, die zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades beitragen kann.

5.3 Aggregalzustandsänderungen

5.3.1 Während des Schülerexperimentes konnten Sie das Beschlagen der Gefäßwand beobachten. Es bildeten sich Tropfen. Ordnen Sie den entsprechenden physikalischen Vorgang zu. Erklären Sie diesen.

5.3.2 Stellen Sie sich vor, dem Wasser wird weiterhin ohne Unterbrechung Wärme zugeführt.
Beschreiben Sie den weiteren Temperaturverlauf.
Benennen und erklären Sie den ablaufenden physikalischen Vorgang.

Lösung Aufgabe 5 Thermodynamik
(Bitte beachten Sie den Hinweis am Ende der Seite)

5.1

Die Temperatur ändert sich proportional zur Zeit.

5.2 Wirkungsgrad der Versuchsanordnung

5.2.1     ges.: E
geg.: P = 150 W
        t = 5 min

Lösung:
E = W · t
E = 150 W · 300s
E = 45000 J

Antwort: Die Heizplatte gibt in 5 min eine Energie von 45000 J ab.

5.2.2     ges.: Q
geg.: m = 100 g
        DT = 64°C - 21°C = 43 K
        c = 4,186

Lösung: Q = c · m · DT
             Q =
             Q = 18 kJ

Antwort: Das Wasser nimmt eine Energie von 18 kJ auf.

5.2.3     ges.: h
geg.: E_auf = 45 kJ
        E_nutz = 18 kJ

Lösung:

h = 0,4

Antwort: Der Wirkungsgrad beträgt 40 %.

5.2.4     Der Wirkungsgrad von 100% wird nicht erreicht, da die aufgewandte Energie nicht vollständig in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.
So wird Wärme vom Wasser an das Becherglas und an die Umgebung abgegeben, Wasserdampf steigt auf und entzieht dem Wasser die aufgewandte Wärme, die Heizplatte hat einen elektrischen Widerstand, der zu unerwünschten Energieumwandlungen führt und vieles mehr.

5.2.5     Mögliche Veränderungen sind:
- Verwendung eines Thermosgefäßes statt des Becherglases
- Verwendung eines Tauchsieders statt der Heizplatte, um Wärmeabgabe an die Umwelt zu verringern

5.3 Aggregatzustandsänderungen

5.3.1     Es handelt sich hier um das Verdunsten von Wasser.
Beim Verdunsten geht Wasser unterhalb der Siedetemperatur vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über.

5.3.2     Die Temperatur wird weiter steigen, bis die Temperatur die Siedetemperatur von 100°C erreicht. Dann wird die Temperatur nicht weiter steigen, sondern das Wasser wird verdampfen, das heißt, vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen.

Alle Lösungen auf einen Blick

Hinweis: Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen des jeweiligen Autors und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösung.

Herzlichen Dank an meine Kollegin Ines Stiller, die diese Lösungen kritisch begutachtete.