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AufgabenEntropie1 Europa-GymnasiumWörth
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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–[email protected] ©2015beidenAutoren
TeilemitfreundlicherGenehmigungdesAutorsentnommenaus: „DerKarlsruherPhysikkurs“vonProf.F.Herrmann(www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/Material_KPK.html)
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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?
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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?
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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