Aufgaben: Wirkungen der Wärme auf Stoffe

Was ist Wärmeausdehnung? Erkläre sie mit eigenen Worten und nenne ein Alltagsbeispiel, bei dem man sie bemerkt, das nicht das Thermometer ist.

Wenn es warm ist, steigt die rote Flüssigkeit eines Thermometers im Röhrchen nach oben; wenn es kalt ist, sinkt sie. Sieh dir die Abbildung an.

1. a) Was geschieht mit dem Volumen der Flüssigkeit, wenn sie erwärmt wird?
2. b) Wie heißt diese Wirkung der Wärme?

Zwischen den Schienen eines Bahngleises gibt es alle paar Meter kleine Lücken. Sieh dir die Abbildung an.

1. a) Wozu dienen diese Lücken?
2. b) Was würde an einem sehr heißen Tag mit den Schienen passieren, wenn das Gleis diese Lücken nicht hätte?

Der Metalldeckel eines Olivenglases lässt sich einfach nicht öffnen. Unais Oma hält ihn ein paar Sekunden unter den Warmwasserhahn und öffnet ihn dann problemlos. Metall dehnt sich stärker aus als Glas. Erkläre damit den Trick der Oma.

Beim Erwärmen wird Eis zu flüssigem Wasser und, wenn wir weiter erwärmen, zu Dampf.

1. a) Wie heißt der Übergang von fest zu flüssig?
2. b) Und der Übergang von flüssig zu gasförmig?
3. c) Wie heißen die beiden umgekehrten Änderungen, die beim Abkühlen stattfinden?

Nach dem Regen verschwinden die Pfützen im Park, sobald die Sonne herauskommt.

1. a) Welche Aggregatzustandsänderung erfährt das Wasser der Pfützen?
2. b) Woher bekommt das Wasser die Wärme, die es für diese Änderung braucht?

Das Seil der Wäscheleine im Hof ist im Winter straffer und gerader, während es im Sommer in einem Bogen durchhängt. Sieh dir die Abbildung an.

Erkläre es mit der Wärmeausdehnung.

Wenn man eine Kerze ausbläst, wird das geschmolzene Wachs neben dem Docht in wenigen Minuten hart.

1. a) Wie heißt die Aggregatzustandsänderung, die das Wachs erfährt?
2. b) Nimmt das Wachs bei dieser Änderung Wärme auf oder gibt es Wärme ab?

Ein Eiswürfel kommt mit $-10\ ^\circ\text{C}$ aus dem Gefrierfach und wir legen ihn in der Küche auf einen Teller.

1. a) Auf welche Temperatur steigt das Eis, bevor es zu schmelzen beginnt?
2. b) Wie heißt die Aggregatzustandsänderung, die danach stattfindet?
3. c) Nimmt das Wasser bei dieser Änderung Wärme auf oder gibt es Wärme ab?

In den Bergen sickert Regenwasser in die Spalten der Felsen. Nachts gefriert es und die Spalten werden nach und nach größer, bis der Fels schließlich zerbricht. Sieh dir die Abbildung an.

Wasser vergrößert beim Gefrieren sein Volumen. Erkläre damit, wie es den Fels zum Zerbrechen bringt.

Wasser gefriert bei $0\ ^\circ\text{C}$ und siedet bei $100\ ^\circ\text{C}$. Sage, in welchem Zustand sich das Wasser jeweils befindet, und begründe. Die Abbildung ordnet die drei Fälle auf einer Temperaturskala ein:

1. a) Das Wasser der Eisbahn, das $-3\ ^\circ\text{C}$ hat.
2. b) Das Wasser in einem Glas, das $25\ ^\circ\text{C}$ hat.
3. c) Das Wasser, das aus einem Topf aufsteigt und $110\ ^\circ\text{C}$ hat.

Wenn du kochendes Wasser auf einmal in ein dickes Glas gießt, kann es springen; bei einem dünnen Glas ist das weniger wahrscheinlich. Die Innenseite des Glases erwärmt sich und dehnt sich früher aus als die Außenseite. Erkläre damit, warum das dicke Glas leichter zerbricht.

Beim Kochen von Nudeln füllt sich die Unterseite des Topfdeckels mit kleinen Wassertröpfchen. Sieh dir die Abbildung an.

1. a) Was geschieht mit dem Dampf, wenn er den kälteren Deckel berührt?
2. b) Wie heißt diese Aggregatzustandsänderung?
3. c) Nimmt der Dampf bei der Umwandlung in Tropfen Wärme auf oder gibt er Wärme ab?

Bei einem Alkoholthermometer steigt die Säule um $10\ \text{cm}$, wenn die Temperatur von $0\ ^\circ\text{C}$ auf $50\ ^\circ\text{C}$ steigt. Sieh dir die Abbildung an.

1. a) Um wie viele Zentimeter steigt die Säule pro Grad?
2. b) Um wie viel steigt die Säule, wenn die Temperatur von $10\ ^\circ\text{C}$ auf $35\ ^\circ\text{C}$ steigt?

Bei Noa zu Hause schleift die Holztür zur Terrasse am Rahmen und lässt sich im August schwer schließen, im Januar schließt sie gut.

1. a) Erkläre es mit der Wärmeausdehnung.
2. b) In welcher Jahreszeit ist die Tür etwas „geschrumpfter"?

Nach dem Duschen friert Nico, obwohl das Badezimmer warm ist.

1. a) Welche Aggregatzustandsänderung erfährt das Wasser, das auf seiner Haut bleibt?
2. b) Woher bekommt dieses Wasser die Wärme, die es für die Änderung braucht?
3. c) Erkläre mit deinen bisherigen Antworten, warum es sinnvoll ist, sich sofort mit dem Handtuch abzutrocknen.

Du bindest einen halb aufgeblasenen Luftballon zu und legst ihn ans Fenster, wo die Sonne darauf scheint: Nach einer Weile ist er praller. Sieh dir die Abbildung an.

1. a) Was geschieht mit der Luft im Inneren des Luftballons beim Erwärmen?
2. b) Sage voraus, was passiert, wenn du den Luftballon eine Weile in den Kühlschrank legst.
3. c) Denke an den Luftballon, den Alkohol im Thermometer und ein Metalllineal und ordne Gas, Flüssigkeit und Festkörper danach, wie stark sie sich bei Wärme ausdehnen, vom größten zum kleinsten.

Eine Metallbrücke verlängert sich um $1\ \text{cm}$ pro Grad, um das ihre Temperatur steigt. Sieh dir das Schema der Brücke an.

1. a) Um wie viel Grad steigt die Temperatur der Brücke zwischen einer Winternacht mit $0\ ^\circ\text{C}$ und einem Sommernachmittag mit $35\ ^\circ\text{C}$?
2. b) Um wie viele Zentimeter verlängert sich die Brücke zwischen diesen beiden Tagen?
3. c) Sind die Dehnungsfugen der Brücke im Winter oder im Sommer weiter geöffnet? Begründe.

Eine Stahlmutter sitzt auf ihrer Schraube fest und der Mechaniker erwärmt sie mit einem Brenner, um sie zu lösen.

1. a) Was geschieht mit der Mutter beim Erwärmen?
2. b) Warum hilft das, sie zu lösen?
3. c) Welches Problem gäbe es, wenn sich die Schraube genauso stark erwärmen würde wie die Mutter?

Wir erwärmen langsam Eis mit $-10\ ^\circ\text{C}$, bis es zu Dampf mit $110\ ^\circ\text{C}$ geworden ist, und messen dabei die ganze Zeit die Temperatur. Der Aufbau ist in der Abbildung dargestellt.

1. a) Liste die fünf Abschnitte des Vorgangs auf und gib für jeden Abschnitt an, was vorliegt (Eis, Wasser, Dampf oder Gemisch) und was die Temperatur macht.
2. b) In welchen zwei Abschnitten steigt die Temperatur nicht, obwohl wir weiter Wärme zuführen? Bei welchen Temperaturen geschieht das?
3. c) Wofür wird die Wärme in diesen beiden Abschnitten verbraucht?

Das Meerwasser verdunstet durch die Wärme der Sonne; der Dampf steigt auf, kühlt in den hohen Schichten der Atmosphäre ab und bildet Wolken; am Ende fällt Regen.

1. a) Nenne die Aggregatzustandsänderung, die das Meerwasser beim Übergang in Dampf erfährt.
2. b) Nenne die Aggregatzustandsänderung, die bei der Bildung der Wolkentröpfchen stattfindet.
3. c) Nimmt das Wasser bei jeder dieser beiden Änderungen Wärme auf oder gibt es Wärme ab? Wer gibt sie ihm oder entzieht sie ihm?

In einer Forschungsstation in der Antarktis zeigt das Thermometer $-50\ ^\circ\text{C}$ an. Quecksilber gefriert bei $-39\ ^\circ\text{C}$ und Alkohol bei $-114\ ^\circ\text{C}$. Die Abbildung fasst die Daten auf einer Temperaturskala zusammen.

1. a) Welches Thermometer ist dort brauchbar, das mit Quecksilber oder das mit Alkohol?
2. b) Was geschieht mit der Flüssigkeit im anderen Thermometer, sodass es unbrauchbar ist?
3. c) Wie heißt die Aggregatzustandsänderung, die diese Flüssigkeit erfährt?

Wasser ist ein seltsamer Stoff: Beim Gefrieren vergrößert sich sein Volumen, sodass Eis eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser.

1. a) Erkläre, warum die Eiswürfel im Glas schwimmen.
2. b) Gefriert bei einem See im Winter zuerst die Oberfläche oder der Grund? Begründe.
3. c) Welchen Vorteil hat das für die Fische, die im See leben?

Wir stellen eine mit Wasser gefüllte Eiswürfelschale in das Gefrierfach und messen ihre Temperatur alle fünf Minuten: $20\ ^\circ\text{C}$, $12\ ^\circ\text{C}$, $5\ ^\circ\text{C}$, $0\ ^\circ\text{C}$ … und eine ganze Weile zeigt sie weiter $0\ ^\circ\text{C}$ an, während sich das Eis bildet. Das Diagramm zeigt die Messwerte.

1. a) Dein Bruder sagt, das Wasser müsste ohne Unterbrechung von $0\ ^\circ\text{C}$ auf $-5\ ^\circ\text{C}$ abkühlen. Wer hat recht, er oder du? Warum?
2. b) Verliert das Wasser, während sich das Eis bildet, weiter Wärme oder nicht?
3. c) Wofür wird die Wärme verbraucht, die das Wasser während der Aggregatzustandsänderung verliert?

Herausforderung des Themas. Wie kann man verhindern, dass ein heißes Getränk schnell Energie verliert? Werde zum Energieprüfer und entwirf eine selbstgebaute Wärmedämmung, indem du die Wärmeübertragung untersuchst.

1. Phase 1. Basismessung: Gieße $150\text{ ml}$ heißes Wasser (mit etwa $50\text{ }^\circ\text{C}$) in ein Glas. Miss die Temperatur alle $4\text{ min}$ über $16\text{ min}$ mit einem einfachen Thermometer (notiere seine Messunsicherheit, zum Beispiel $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Sieh auf der Website des Deutschen Wetterdienstes (DWD) nach der aktuellen Temperatur an deinem Wohnort als Umgebungsreferenz.

2. Phase 2. Prototyp und Test: Wähle ein Alltagsmaterial (Alufolie, Wolle oder Pappe), um das Glas zu umhüllen. Wiederhole den Versuch mit derselben Anfangstemperatur und notiere die Messwerte in denselben Zeitabständen.

3. Phase 3. Bericht und Schlussfolgerungen: Lege eine Wertetabelle vor und erstelle ein Diagramm der Temperatur ($T$) gegen die Zeit ($t$), das beide Kurven vergleicht. Begründe, welches Material die Abkühlung am besten bremst, ausgehend vom thermischen Gleichgewicht und der Wärmeübertragung.

Bewertet wird:

• Sorgfalt bei der Datenerfassung, mit Angabe der Messunsicherheit und Einbindung von Tabelle und Vergleichsdiagramm.

• Korrekte begriffliche Unterscheidung zwischen Wärme, Temperatur und thermischem Gleichgewicht in den Schlussfolgerungen.

• Begründete Erklärung der Wirksamkeit des Prototyps gegenüber den Energieverlusten.