Aufgaben: Wirkungen der Wärme und Anwendungen im Alltag

Zwischen den Schienen eines Bahngleises werden in bestimmten Abständen kleine Lücken gelassen, und dasselbe gilt zwischen den Abschnitten vieler Brücken, wie in der Abbildung gezeigt.

Welche Wirkung der Wärme verhindern diese Fugen? Was könnte passieren, wenn es sie nicht gäbe?

Ein klassisches Thermometer hat ein Gefäß mit einer Flüssigkeit (früher Quecksilber, heute gefärbter Alkohol), die bei Wärme in einer sehr dünnen Röhre aufsteigt, wie in der Abbildung gezeigt.

Auf welcher Wirkung der Wärme beruht seine Funktionsweise? Erkläre.

Wenn man Eis erwärmt, wird es zuerst zu flüssigem Wasser und, wenn man weiter erwärmt, zu Dampf. Betrachte das Schema in der Abbildung:

1. a) Wie heißen diese beiden Aggregatzustandsänderungen?
2. b) Wie heißen die umgekehrten Änderungen, die beim Abkühlen stattfinden?
3. c) Gib für jede der vier Änderungen an, ob das Wasser Energie aufnimmt oder abgibt.

Erkläre mit eigenen Worten, was Wärmeausdehnung ist, und nenne ein Alltagsbeispiel, an dem man sie bemerkt, außer dem Thermometer.

Warum wärmt uns eine Fleecejacke oder ein Wollpullover? „Gibt" das Kleidungsstück dem Körper Wärme oder tut es etwas anderes? Erkläre.

Eine Thermoskanne hält Kaffee stundenlang heiß, eignet sich aber auch, um im Sommer kaltes Wasser mitzunehmen. Erkläre, was die Thermoskanne in jedem Fall mit der Wärme macht: Erwärmt sie, kühlt sie oder verhindert sie, dass Wärme hindurchgelangt?

Doppelverglaste Fenster haben eine Luftschicht, die zwischen den beiden Scheiben eingeschlossen ist, wie in der Abbildung gezeigt.

Wenn du weißt, dass ruhende Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, erkläre, was man im Winter mit dieser Schicht erreicht.

Du hängst nasse Wäsche auf und nach einigen Stunden ist sie trocken.

1. a) Welche Aggregatzustandsänderung hat das Wasser in der Wäsche durchlaufen?
2. b) Woher hat es die Energie für diese Änderung bekommen?

Eine Betonbrücke von $300\ \text{m}$ kann sich im Sommer um mehrere Zentimeter verlängern.

1. a) Warum verlängert sie sich?
2. b) Was würde an den Enden der Brücke geschehen, wenn sie ohne Dehnungsfugen gebaut würde?
3. c) Sind die Fugen im Winter weiter geöffnet oder enger geschlossen? Begründe die Antwort.

Der Metalldeckel eines Marmeladenglases lässt sich nicht öffnen. Du hältst ihn einige Sekunden unter heißes Wasser aus dem Hahn und beim nächsten Versuch lässt er sich leicht öffnen. Erkläre, was geschehen ist, und berücksichtige dabei, dass sich Metall stärker ausdehnt als Glas.

In einem Schnellkochtopf kann der Dampf nicht entweichen und der Druck im Inneren steigt, sodass das Wasser oberhalb von $100\ ^\circ\text{C}$ siedet.

1. a) Erkläre, warum das Essen schneller gar wird als in einem normalen Topf.
2. b) Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Druck und der Siedetemperatur von Wasser?

Eine Thermoskanne besteht aus einem doppelwandigen Behälter mit Vakuum zwischen den Wänden, verspiegelten Oberflächen und einem dichten Stopfen, wie in der Abbildung gezeigt.

Erkläre, welchen Mechanismus der Wärmeübertragung jede dieser drei Eigenschaften blockiert.

In Häusern mit Fußbodenheizung verlaufen Rohre mit heißem Wasser durch den Boden und erwärmen die Wohnung auf sehr angenehme Weise.

1. a) Durch welchen Mechanismus verteilt sich die Wärme vom Boden auf den Rest des Raumes?
2. b) Warum ist es komfortabler, vom Boden aus zu heizen als mit einem kleinen, sehr heißen Heizkörper in einer Ecke?

Wenn es sehr heiß ist, schwitzen wir und beim Verdunsten des Schweißes spüren wir Erleichterung.

1. a) Welche Aggregatzustandsänderung durchläuft der Schweiß?
2. b) Diese Änderung braucht Energie: Woher nimmt er sie?
3. c) Erkläre damit, warum uns ein Ventilator erfrischt, obwohl er die Luft nicht abkühlt.

Du gibst zwei Eiswürfel in ein Glas Limonade, das Raumtemperatur hat.

1. a) Welche Aggregatzustandsänderung durchlaufen die Eiswürfel?
2. b) Woher nehmen sie die Energie für diese Änderung?
3. c) Erkläre mit den vorherigen Antworten, warum sich das Getränk abkühlt.

Die Flüssigkeit in einem Thermometer dehnt sich nur sehr wenig aus und trotzdem steigt die Säule in der Röhre stark an. Erkläre, wenn du weißt, dass die Röhre eine sehr dünne Kapillare ist, wie erreicht wird, dass sich eine kleine Volumenausdehnung in einen großen, leicht ablesbaren Anstieg verwandelt.

Auf modernen ICE-Strecken sind die Schienen zu kilometerlangen durchgehenden Abschnitten verschweißt, ohne Fugen, trotz der Wärmeausdehnung.

1. a) Welches Problem lösten die klassischen Fugen zwischen den Schienen?
2. b) Warum bevorzugt ein Hochgeschwindigkeitszug deiner Meinung nach durchgehende Schienen?
3. c) Überlege, wie man die Schiene an den Schwellen befestigen kann, damit sie die Ausdehnung aushält: Ist es beim Einbau besser, sie im Sommer oder im Winter stärker gespannt zu verlegen? Begründe.

Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Metallen; beim Erwärmen dehnt sich das eine stärker aus als das andere und der Streifen krümmt sich.

1. a) Zu welcher Seite krümmt er sich: zum Metall, das sich stärker ausdehnt, oder zu dem, das sich weniger ausdehnt? Begründe.
2. b) Die Thermostate von Bügeleisen und Heizungen nutzen diesen Effekt, um das Gerät ein- und auszuschalten. Erkläre, wie die Idee funktioniert.

Du vergisst eine vollständig mit Wasser gefüllte, gut verschlossene Glasflasche im Gefrierfach und am nächsten Tag ist sie kaputt.

1. a) Wasser ist ein Stoff mit Anomalie: Beim Gefrieren dehnt es sich aus, statt sich zusammenzuziehen. Erkläre mit dieser Angabe, warum die Flasche kaputtging.
2. b) Sage voraus, was geschehen würde, wenn die Flasche aus weichem Kunststoff wäre und nicht ganz voll. Begründe die Antwort.

Eine Verbrennung durch Wasserdampf von $100\ ^\circ\text{C}$ ist schlimmer als eine Verbrennung durch kochendes Wasser von $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Welche Aggregatzustandsänderung durchläuft der Dampf, wenn er die Haut berührt?
2. b) Berücksichtige, dass bei dieser Aggregatzustandsänderung Energie frei wird, und erkläre, warum Dampf stärker verbrennt, obwohl er dieselbe Temperatur hat wie das kochende Wasser.

Ein Iglu besteht aus Blöcken aus verdichtetem Schnee, der voller kleiner Lufteinschlüsse ist, und im Inneren bleibt die Temperatur nahe $0\ ^\circ\text{C}$, obwohl es draußen $-20\ ^\circ\text{C}$ hat, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Warum ist verdichteter Schnee ein guter Dämmstoff, obwohl er kalt ist?
2. b) Welche Mechanismen des Wärmeverlusts verringert die geschlossene Form des Iglus?
3. c) Wenn die Temperatur im Inneren über $0\ ^\circ\text{C}$ steigt, schmilzt das Iglu dann nicht? Begründe alle drei Antworten.

Auf dem Gipfel eines $3000\ \text{m}$ hohen Berges, wo der Luftdruck deutlich niedriger ist als auf Meereshöhe, siedet Wasser bei etwa $90\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Erkläre, welcher Zusammenhang zwischen dem Druck und der Siedetemperatur von Wasser besteht.
2. b) Warum ist es in den Bergen schwieriger, ein Ei richtig hart zu kochen als am Strand, obwohl das Wasser an beiden Orten kocht?
3. c) Was würde geschehen, wenn du in den Bergen einen Schnellkochtopf benutzen würdest? Begründe.

Ein Haus hat doppelt verglaste Fenster, Außenrollläden und dicke Vorhänge.

1. a) Erkläre, welchen Beitrag jedes der drei Elemente leistet, um die Wärmeverluste im Winter zu verringern.
2. b) Welche Kombination aus Rollläden und Vorhängen würdest du im Sommer tagsüber und nachts verwenden, damit das Haus kühl bleibt? Begründe deine Entscheidungen mit Blick auf die drei Arten der Wärmeübertragung.

Ein Heißluftballon steigt auf, wenn ein Brenner die Luft in seinem Inneren erwärmt, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Dehnt sich die Luft beim Erwärmen aus oder zieht sie sich zusammen?
2. b) Wie verändert sich ihre Dichte im Vergleich zur Außenluft?
3. c) Erkläre, warum der Ballon aufsteigt und was der Pilot tun muss, um abzusteigen. Bringe alles mit den Wirkungen der Wärme in Zusammenhang.

Herausforderung zum Thema. Entwirf als Energieberater für Haushalte einen Prototyp einer Dämmung, die verhindert, dass ein heißes Getränk schnell abkühlt.

1. Umgebungsbedingungen: Rufe auf der Website des Deutschen Wetterdienstes die aktuelle Temperatur an deinem Wohnort ab und notiere sie zusammen mit der Temperatur in deiner Wohnung. Gib beide in Grad Celsius und in Kelvin an ($T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273,15$).

2. Experiment zu Hause: Gieße heißes Wasser in zwei gleiche Gläser: eines bleibt offen, das andere wird mit Aluminiumfolie abgedeckt. Miss die Temperatur alle $3\text{ min}$ über $15\text{ min}$ und berücksichtige dabei die Messunsicherheit der Geräte (Thermometer $\pm 1\,^\circ\text{C}$ und Stoppuhr $\pm 1\text{ s}$).

3. Datenauswertung: Erstelle eine Tabelle mit deinen Messwerten und zeichne die Abkühlungskurven ($T$ gegen $t$). Bestimme, in welchen Bereichen Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung wirken, und untersuche dabei das thermische Gleichgewicht mit der Umgebung.

4. Begründeter Vorschlag: Verfasse einen kurzen Bericht mit dem Vorschlag für eine effiziente selbstgebaute Thermoskanne aus alltäglichen Recyclingmaterialien.

Bewertet wird:

• richtige Umrechnung zwischen Temperaturskalen und angemessene Angabe von Messunsicherheiten ($\pm 1\,^\circ\text{C}$, $\pm 1\text{ s}$).

• sorgfältige Erstellung der Messwerttabelle und des vergleichenden Abkühlungsdiagramms.

• genaue Bestimmung und physikalische Begründung von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.

• wissenschaftliche Stimmigkeit, Kreativität und Umsetzbarkeit beim Vorschlag für die selbstgebaute Dämmung.