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Physik · Klasse 7 und 8 · Kapitel

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Wärme und Energie

EntdeckenDie Frage zum Kapitel

Warum fühlt sich ein Metallgeländer kälter an als Holz, obwohl beides gleich warm ist?

Schreib eine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Für die Lehrkraft: Beides hat dieselbe Temperatur. Metall leitet die Wärme aber viel besser: Es führt sie schnell von deiner Hand weg, und das spürst du als kalt. Holz leitet schlecht und bleibt an der Stelle warm, die du berührst. Quelle: Kuchling, Taschenbuch der Physik: Wärmeleitfähigkeit Stahl etwa 50, Holz etwa 0,15 Watt pro Meter und Kelvin

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich unterscheide Temperatur und Wärme.

EntdeckenFrage

Warum fühlt sich ein Metallgeländer kälter an als Holz, obwohl beides gleich warm ist?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Beides hat dieselbe Temperatur. Metall leitet die Wärme aber viel besser: Es führt sie schnell von deiner Hand weg, und das spürst du als kalt. Holz leitet schlecht und bleibt an der Stelle warm, die du berührst.

MerkenTemperatur und Wärme

Temperatur sagt, wie warm es ist. Wärme ist die Energie, die von warm nach kalt fließt.

BeispielWohin fließt die Wärme?

Deine Hand hat 32 °C. Du fasst ein Metallgeländer mit 2 °C an. Was geschieht?
Metall2 °CHand32 °CIn welche Richtung fließt Energie?
Schritt für Schritt
  1. Vergleiche die Temperaturen: Welcher Körper ist wärmer?
  2. Hand hat 32 °C, Metall hat 2 °C.
  3. Also: Energie fließt von der Hand ins Metall.
  1. Vergleiche die Temperaturen: Welcher Körper ist wärmer?
  2. Hand hat 32 °C, Metall hat 2 °C.
  3. Also: Energie fließt von der Hand ins Metall.
Ergebnis:
Energie fließt von der Hand ins Metall.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    In der Brotdose liegt ein Kühlakku mit −15 °C neben einem Joghurt mit 20 °C. Was geschieht?
    Kühlakku−15 °CJoghurt20 °CIn welche Richtung fließt Energie?
    So fängst du an:
    Vergleiche die Temperaturen: Welcher Körper ist wärmer?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche die Temperaturen: Welcher Körper ist wärmer?
    2. Joghurt hat 20 °C, Kühlakku hat −15 °C.
    3. Also: Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
    Ergebnis:
    Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
  2. ●2
    Ein Eiswürfel mit −3 °C schwimmt in Limonade mit 24 °C. Was geschieht?
    Eis−3 °CLimonade24 °CIn welche Richtung fließt Energie?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche die Temperaturen: Welcher Körper ist wärmer?
    2. Limonade hat 24 °C, Eis hat −3 °C.
    3. Also: Energie fließt von der Limonade zum Eis.
    Ergebnis:
    Energie fließt von der Limonade zum Eis.
  3. ★3
    Eine Badewanne mit 120 kg Wasser hat 40 °C. Eine Tasse Tee mit 0,2 kg hat 90 °C. Beide kühlen auf 20 °C ab. Was gibt mehr Wärme ab?
    0,2 kgTee 90 °C120 kgBadewanne 40 °Cbeide kühlen auf 20 °C ab
    Lösung zeigen
    1. Die Wärme hängt von der Masse und von der Abkühlung ab: Q = c · m · ΔT.
    2. Badewanne 120 kg und 20 K, Tee 0,2 kg und 70 K.
    3. Die Badewanne hat viel mehr Masse. Sie gibt mehr Wärme ab, obwohl sie kühler ist.
    Ergebnis:
    die Badewanne

2Ich beschreibe die Ausdehnung von Stoffen bei Erwärmung.

EntdeckenFrage

Warum haben Brücken Lücken in der Fahrbahn?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Stahl dehnt sich bei Wärme aus, pro Meter und Grad um etwa 0,012 Millimeter. Eine 100 Meter lange Stahlbrücke wächst zwischen Winter und Sommer bei 50 Grad Unterschied um rund 6 Zentimeter. Die Lücken, die Dehnungsfugen, geben dafür Platz.

MerkenStoffe dehnen sich aus

Wärmer heißt: Die Teilchen bewegen sich stärker und brauchen mehr Platz.

Deshalb haben Brücken Dehnungsfugen.

BeispielLängenausdehnung

Eine Glasscheibe ist 1 m lang und wird um 20 K wärmer (α = 0,009 mm/(m·K)). Um wie viele Millimeter wird sie länger? Berechne mit Einheit.
vorherl₀ = 1 m20 K wärmerΔl = ?
Schritt für Schritt
  1. Δl = α · l₀ · ΔT
  2. α · l₀ = 0,009 mm/(m·K) · 1 m = 0,009 mm/K
  3. Δl = 0,009 mm/K · 20 K = 0,18 mm
  1. Δl = α · l₀ · ΔT
  2. α · l₀ = 0,009 mm/(m·K) · 1 m = 0,009 mm/K
  3. Δl = 0,009 mm/K · 20 K = 0,18 mm
Ergebnis:
0,18 mm

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Ein Stahlträger ist 12 m lang und wird um 20 K wärmer (α = 0,012 mm/(m·K)). Um wie viele Millimeter wird er länger? Berechne mit Einheit.
    vorherl₀ = 12 m20 K wärmerΔl = ?
    So fängst du an:
    Δl = α · l₀ · ΔT
    Lösung zeigen
    1. Δl = α · l₀ · ΔT
    2. α · l₀ = 0,012 mm/(m·K) · 12 m = 0,144 mm/K
    3. Δl = 0,144 mm/K · 20 K = 2,88 mm
    Ergebnis:
    2,88 mm
  2. ●5
    Eine Stahlschiene ist 15 m lang und wird um 50 K wärmer (α = 0,012 mm/(m·K)). Um wie viele Millimeter wird sie länger? Berechne mit Einheit.
    vorherl₀ = 15 m50 K wärmerΔl = ?
    Lösung zeigen
    1. Δl = α · l₀ · ΔT
    2. α · l₀ = 0,012 mm/(m·K) · 15 m = 0,18 mm/K
    3. Δl = 0,18 mm/K · 50 K = 9 mm
    Ergebnis:
    9 mm
  3. ★6
    Eine Betonbrücke ist 0,2 km lang. Im Winter hat sie −15 °C, im Sommer 35 °C (α = 0,012 mm/(m·K)). Um wie viele Zentimeter ändert sich ihre Länge? Berechne mit Einheit.
    Winter: −15 °Cl₀ = 0,2 kmSommer: 35 °CΔl = ?
    Lösung zeigen
    1. Δl = α · l₀ · ΔT
    2. 0,2 km = 200 m, ΔT = 35 + 15 = 50 K
    3. Δl = 0,012 mm/(m·K) · 200 m · 50 K = 120 mm
    4. 120 mm = 12 cm
    Ergebnis:
    12 cm

3Ich erkläre die Aggregatzustände im Teilchenmodell.

EntdeckenFrage

Warum beschlägt im Bad der Spiegel, wenn man heiß duscht?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Warmer Wasserdampf trifft auf die kalte Spiegelfläche. Die Teilchen verlieren Bewegung und rücken zusammen: Der Dampf wird zu winzigen Wassertröpfchen. Der Wechsel von gasförmig zu flüssig heißt Kondensieren.

MerkenTeilchenmodell

Fest: Teilchen auf festen Plätzen.

Flüssig: sie gleiten aneinander vorbei. Gasförmig: sie fliegen frei.

BeispielSchmelzen und Sieden im Diagramm

Ein Eiswürfel wird gleichmäßig erwärmt. Das Diagramm zeigt die Temperatur, ein Kästchen ist eine Minute. Wie viele Minuten dauert das Schmelzen? Berechne mit Einheit.
−2002040608010009t in minϑ in °C
Schritt für Schritt
  1. Beim Schmelzen bleibt die Temperatur gleich: Das ist das waagerechte Stück bei 0 °C.
  2. Es beginnt bei 2 min und endet bei 4 min.
  3. Dauer = 4 min − 2 min = 2 min
  1. Beim Schmelzen bleibt die Temperatur gleich: Das ist das waagerechte Stück bei 0 °C.
  2. Es beginnt bei 2 min und endet bei 4 min.
  3. Dauer = 4 min − 2 min = 2 min
Ergebnis:
2 min

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Eiswürfel wird gleichmäßig erwärmt, ein Kästchen ist eine Minute. Wie viele Minuten dauert es, das Schmelzwasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen? Berechne mit Einheit.
    −2002040608010009t in minϑ in °C
    So fängst du an:
    Das Wasser wird im steigenden Stück zwischen den beiden waagerechten Stücken wärmer.
    Lösung zeigen
    1. Das Wasser wird im steigenden Stück zwischen den beiden waagerechten Stücken wärmer.
    2. Es beginnt bei 3 min und erreicht 100 °C bei 6 min.
    3. Dauer = 6 min − 3 min = 3 min
    Ergebnis:
    3 min
  2. ●8
    Eis wird gleichmäßig erwärmt, ein Kästchen ist eine Minute. Wie viele Minuten dauert es, das Schmelzwasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen? Berechne mit Einheit.
    −20020406080100012t in minϑ in °C
    Lösung zeigen
    1. Das Wasser wird im steigenden Stück zwischen den beiden waagerechten Stücken wärmer.
    2. Es beginnt bei 6 min und erreicht 100 °C bei 9 min.
    3. Dauer = 9 min − 6 min = 3 min
    Ergebnis:
    3 min
  3. ★9
    Schnee wird mit einer Heizplatte erwärmt, die gleichmäßig 400 W abgibt. Wie viel Energie in kJ nimmt es beim Schmelzen auf? Lies die Zeit im Diagramm ab.
    −20020406080100012t in minϑ in °CP = 400 W, E = ?
    Lösung zeigen
    1. Geschmolzen wird im waagerechten Stück bei 0 °C.
    2. Es dauert von 3 min bis 5 min, also 2 min = 120 s.
    3. E = P · t = 400 W · 120 s = 48.000 J = 48 kJ
    Ergebnis:
    48 kJ

4Ich lese und deute Temperatur-Zeit-Diagramme.

EntdeckenFrage

Warum kocht Wasser auf der Zugspitze schon bei etwa 90 Grad?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Oben ist der Luftdruck niedriger, auf 2.962 Metern Höhe bei etwa 700 Hektopascal. Die Wasserteilchen brauchen weniger Energie, um in den Dampf zu entkommen. Deshalb kocht Wasser dort bei rund 90 Grad statt bei 100, und Eier brauchen länger.

MerkenBeim Übergang bleibt die Temperatur gleich

Während Eis schmilzt, ändert sich seine Temperatur nicht.

Die Energie löst die Teilchen voneinander, das Eis bleibt bei 0 °C.

BeispielAggregatzustände im Teilchenmodell

Butter wird in der warmen Pfanne bei 35 °C flüssig. Was geschieht dabei mit ihren Teilchen? Erkläre im Teilchenmodell.
festflüssiggasförmigSchmelzen: Teilchen?Butter, 35 °C
Schritt für Schritt
  1. Die Teilchen selbst bleiben immer gleich: gleich groß, gleich hart, nicht nass.
  2. Es ändern sich nur ihr Abstand, ihre Ordnung und wie schnell sie sich bewegen.
  3. Sie verlassen ihre festen Plätze und bleiben gleich groß.
  1. Die Teilchen selbst bleiben immer gleich: gleich groß, gleich hart, nicht nass.
  2. Es ändern sich nur ihr Abstand, ihre Ordnung und wie schnell sie sich bewegen.
  3. Sie verlassen ihre festen Plätze und bleiben gleich groß.
Ergebnis:
Sie verlassen ihre festen Plätze und bleiben gleich groß.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Eine Pfütze mit 25 °C trocknet in der Sonne. Was geschieht dabei mit ihren Wasserteilchen? Erkläre im Teilchenmodell.
    festflüssiggasförmigVerdampfen: Teilchen?Wasser, 25 °C
    So fängst du an:
    Die Teilchen selbst bleiben immer gleich: gleich groß, gleich hart, nicht nass.
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen selbst bleiben immer gleich: gleich groß, gleich hart, nicht nass.
    2. Es ändern sich nur ihr Abstand, ihre Ordnung und wie schnell sie sich bewegen.
    3. Sie lösen sich voneinander und fliegen einzeln umher.
    Ergebnis:
    Sie lösen sich voneinander und fliegen einzeln umher.
  2. ●11
    Nasse Wäsche trocknet bei 12 °C auf der Leine. Was geschieht dabei mit den Wasserteilchen? Erkläre im Teilchenmodell.
    festflüssiggasförmigVerdampfen: Teilchen?Wasser, 12 °C
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen selbst bleiben immer gleich: gleich groß, gleich hart, nicht nass.
    2. Es ändern sich nur ihr Abstand, ihre Ordnung und wie schnell sie sich bewegen.
    3. Sie lösen sich voneinander und fliegen einzeln umher.
    Ergebnis:
    Sie lösen sich voneinander und fliegen einzeln umher.
  3. ★12
    Wasser siedet im Topf bei 100 °C, die Platte gibt weiter 1500 W ab. Warum steigt die Temperatur nicht?
    −2002040608010009t in minϑ in °CWarum waagerecht?
    Lösung zeigen
    1. Die Temperatur sagt, wie schnell sich die Teilchen bewegen.
    2. Beim Schmelzen und Sieden fließt weiter Energie zu. Sie trennt die Teilchen voneinander.
    3. Erst wenn alles geschmolzen oder verdampft ist, steigt die Temperatur weiter.
    Ergebnis:
    Die Energie löst die Teilchen, sie werden nicht schneller.

5Ich berechne Wärmemengen.

EntdeckenFrage

Wie viel Energie braucht ein Wasserkocher, um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Für 1 Kilogramm Wasser und 80 Grad Erwärmung (20 auf 100 Grad) rechnet man 4,19 mal 1 mal 80, das sind rund 335 Kilojoule oder 0,093 Kilowattstunden. Ein Kocher mit 2.000 Watt schafft das theoretisch in knapp 3 Minuten.

MerkenWärmemenge

Q = c · m · ΔT. Wasser braucht besonders viel: 4200 J je Kilogramm und Kelvin.

BeispielWärme: Q = c · m · ΔT

2,5 kg Wasser werden um 50 K erwärmt (c = 4,2 kJ/(kg·K)). Wie viel Wärme ist dafür nötig? Berechne mit Einheit.
m = 2,5 kgQ = ?ΔT = 50 K
Schritt für Schritt
  1. Q = c · m · ΔT
  2. c · m = 4,2 kJ/(kg·K) · 2,5 kg = 10,5 kJ/K
  3. Q = 10,5 kJ/K · 50 K = 525 kJ
  1. Q = c · m · ΔT
  2. c · m = 4,2 kJ/(kg·K) · 2,5 kg = 10,5 kJ/K
  3. Q = 10,5 kJ/K · 50 K = 525 kJ
Ergebnis:
525 kJ

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    3 kg Wasser werden um 30 K erwärmt (c = 4,2 kJ/(kg·K)). Wie viel Wärme ist dafür nötig? Berechne mit Einheit.
    m = 3 kgQ = ?ΔT = 30 K
    So fängst du an:
    Q = c · m · ΔT
    Lösung zeigen
    1. Q = c · m · ΔT
    2. c · m = 4,2 kJ/(kg·K) · 3 kg = 12,6 kJ/K
    3. Q = 12,6 kJ/K · 30 K = 378 kJ
    Ergebnis:
    378 kJ
  2. ●14
    2 kg Wasser werden um 60 K erwärmt (c = 4,2 kJ/(kg·K)). Wie viel Wärme ist dafür nötig? Berechne mit Einheit.
    m = 2 kgQ = ?ΔT = 60 K
    Lösung zeigen
    1. Q = c · m · ΔT
    2. c · m = 4,2 kJ/(kg·K) · 2 kg = 8,4 kJ/K
    3. Q = 8,4 kJ/K · 60 K = 504 kJ
    Ergebnis:
    504 kJ
  3. ★15
    1,5 kg Wasser werden von 22 °C auf 60 °C erwärmt (c = 4200 J/(kg·K)). Wie viel Wärme in kJ ist nötig? Berechne mit Einheit.
    m = 1,5 kgQ = ?vorher: 22 °Cnachher: 60 °C
    Lösung zeigen
    1. Q = c · m · ΔT
    2. ΔT = 60 °C − 22 °C = 38 K
    3. Q = 4200 J/(kg·K) · 1,5 kg · 38 K = 239.400 J
    4. 239.400 J = 239,4 kJ
    Ergebnis:
    239,4 kJ

6Ich unterscheide Wärmeleitung, Strömung und Strahlung.

EntdeckenFrage

Warum spürst du die Sonne im Gesicht, obwohl dazwischen fast nichts ist?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Die Wärme kommt als Strahlung und braucht keinen Stoff dazwischen. Im leeren Weltraum gibt es keine Wärmeleitung und keine Strömung, nur Strahlung. Am Rand der Atmosphäre treffen rund 1.361 Watt auf jeden Quadratmeter.

MerkenDrei Wege

Leitung im Stoff, Strömung mit dem Stoff, Strahlung auch durch das Vakuum – deshalb wärmt die Sonne.

BeispielLeitung, Strömung, Strahlung

Der Golfstrom bringt Meerwasser mit etwa 27 °C aus der Karibik nach Norden. Erkläre: Wie kommt die Energie nach Europa?
Karibik27 °C?EuropaWie kommt die Energie hinüber?
Schritt für Schritt
  1. Frag: Wandert der Stoff selbst mit? Dann ist es Strömung.
  2. Bleibt der Stoff, und berühren sich die Körper? Dann ist es Leitung.
  3. Ist gar kein Stoff dazwischen? Dann ist es Strahlung.
  4. Also: durch Strömung, der warme Stoff wandert
  1. Frag: Wandert der Stoff selbst mit? Dann ist es Strömung.
  2. Bleibt der Stoff, und berühren sich die Körper? Dann ist es Leitung.
  3. Ist gar kein Stoff dazwischen? Dann ist es Strahlung.
  4. Also: durch Strömung, der warme Stoff wandert
Ergebnis:
durch Strömung, der warme Stoff wandert

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Der Golfstrom bringt Meerwasser mit etwa 24 °C aus der Karibik nach Norden. Erkläre: Wie kommt die Energie nach Europa?
    Karibik24 °C?EuropaWie kommt die Energie hinüber?
    So fängst du an:
    Frag: Wandert der Stoff selbst mit? Dann ist es Strömung.
    Lösung zeigen
    1. Frag: Wandert der Stoff selbst mit? Dann ist es Strömung.
    2. Bleibt der Stoff, und berühren sich die Körper? Dann ist es Leitung.
    3. Ist gar kein Stoff dazwischen? Dann ist es Strahlung.
    4. Also: durch Strömung, der warme Stoff wandert
    Ergebnis:
    durch Strömung, der warme Stoff wandert
  2. ●17
    Wasser im Topf wird von unten auf 40 °C erwärmt. Bald ist es oben genauso warm. Erkläre: Wie kommt die Energie nach oben?
    unten40 °C?obenWie kommt die Energie hinüber?
    Lösung zeigen
    1. Frag: Wandert der Stoff selbst mit? Dann ist es Strömung.
    2. Bleibt der Stoff, und berühren sich die Körper? Dann ist es Leitung.
    3. Ist gar kein Stoff dazwischen? Dann ist es Strahlung.
    4. Also: durch Strömung, der warme Stoff wandert
    Ergebnis:
    durch Strömung, der warme Stoff wandert
  3. ★18
    Auf einem Wärmebild bei −2 °C leuchtet das alte Dach hell, das frisch gedämmte dunkel. Erkläre, was das zeigt.
    Haus20 °CDämmungNacht−2 °CEnergie: Was bremst sie?
    Lösung zeigen
    1. Dämmung ist keine Quelle: Sie erzeugt weder Wärme noch Kälte.
    2. Energie fließt vom Wärmeren zum Kälteren. Eine Dämmung bremst diesen Fluss.
    3. Durch das gedämmte Dach geht viel weniger Energie hinaus.
    Ergebnis:
    Durch das gedämmte Dach geht viel weniger Energie hinaus.

7Ich beurteile Dämmung und Energiesparen.

EntdeckenFrage

Warum hält eine Thermoskanne Getränke stundenlang heiß?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Die Kanne hat zwei Wände mit Vakuum dazwischen: Dort gibt es keine Teilchen, die Wärme weitergeben. Die Innenseite ist verspiegelt und wirft Wärmestrahlung zurück. So sind Leitung, Strömung und Strahlung zugleich gebremst. James Dewar erfand das Prinzip 1892.

MerkenDämmen heißt Wege sperren

Eine gute Dämmung schließt Luft in kleinen Kammern ein: Luft leitet schlecht, und eingeschlossene Luft kann nicht strömen.

BeispielDämmung und U-Wert

Ein gedämmtes Dach hat 80 m² und den U-Wert 0,2 W/(m²·K). Drinnen sind 21 °C, draußen −2 °C. Wie viel Wärme fließt je Sekunde hindurch? Berechne mit Einheit.
drinnen21 °CU = 0,2A = 80 m²draußen−2 °CP = ?
Schritt für Schritt
  1. P = U · A · ΔT
  2. ΔT = 21 °C − (−2 °C) = 23 K
  3. P = 0,2 W/(m²·K) · 80 m² · 23 K = 368 W
  1. P = U · A · ΔT
  2. ΔT = 21 °C − (−2 °C) = 23 K
  3. P = 0,2 W/(m²·K) · 80 m² · 23 K = 368 W
Ergebnis:
368 W

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Eine ungedämmte Wand hat 20 m² und den U-Wert 1,5 W/(m²·K). Drinnen sind 21 °C, draußen 5 °C. Wie viel Wärme fließt je Sekunde hindurch? Berechne mit Einheit.
    drinnen21 °CU = 1,5A = 20 m²draußen5 °CP = ?
    So fängst du an:
    P = U · A · ΔT
    Lösung zeigen
    1. P = U · A · ΔT
    2. ΔT = 21 °C − 5 °C = 16 K
    3. P = 1,5 W/(m²·K) · 20 m² · 16 K = 480 W
    Ergebnis:
    480 W
  2. ●20
    Eine gedämmte Wand hat 60 m² und den U-Wert 0,2 W/(m²·K). Drinnen sind 22 °C, draußen −10 °C. Wie viel Wärme fließt je Sekunde hindurch? Berechne mit Einheit.
    drinnen22 °CU = 0,2A = 60 m²draußen−10 °CP = ?
    Lösung zeigen
    1. P = U · A · ΔT
    2. ΔT = 22 °C − (−10 °C) = 32 K
    3. P = 0,2 W/(m²·K) · 60 m² · 32 K = 384 W
    Ergebnis:
    384 W
  3. ★21
    Ein Fenster mit 2 m² wird gedämmt. Der U-Wert sinkt von 3 auf 1 W/(m²·K). Drinnen sind 20 °C, draußen −10 °C. Wie viel Wärme je Sekunde wird gespart?
    drinnen20 °CU₁ = 3U₂ = 1A = 2 m²draußen−10 °Cgespart: ΔP = ?
    Lösung zeigen
    1. Gespart wird der Unterschied der U-Werte: ΔP = (U₁ − U₂) · A · ΔT
    2. ΔT = 20 °C − (−10 °C) = 30 K, U₁ − U₂ = 2 W/(m²·K)
    3. ΔP = 2 W/(m²·K) · 2 m² · 30 K = 120 W
    Ergebnis:
    120 W

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●22
    In der Brotdose liegt ein Kühlakku mit −18 °C neben einem Joghurt mit 22 °C. Was geschieht?
    Kühlakku−18 °CJoghurt22 °CIn welche Richtung fließt Energie?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche die Temperaturen: Welcher Körper ist wärmer?
    2. Joghurt hat 22 °C, Kühlakku hat −18 °C.
    3. Also: Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
    Ergebnis:
    Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
  2. ●23
    Ein Becher mit 0,2 kg Wasser braucht 50,4 kJ, um von 20 °C auf 80 °C zu kommen. Wie viel Wärme braucht ein Topf mit 1 kg Wasser dafür?
    0,2 kg50,4 kJ1 kgQ = ?beide von 20 °C auf 80 °C
    Lösung zeigen
    1. Gleiche Erwärmung: Die Wärme wächst mit der Masse.
    2. 1 kg : 0,2 kg = 5
    3. Q = 5 · 50,4 kJ = 252 kJ
    Ergebnis:
    252 kJ
  3. ●24
    Ein Stahlträger ist 20 m lang und wird um 60 K wärmer (α = 0,012 mm/(m·K)). Um wie viele Millimeter wird er länger? Berechne mit Einheit.
    vorherl₀ = 20 m60 K wärmerΔl = ?
    Lösung zeigen
    1. Δl = α · l₀ · ΔT
    2. α · l₀ = 0,012 mm/(m·K) · 20 m = 0,24 mm/K
    3. Δl = 0,24 mm/K · 60 K = 14,4 mm
    Ergebnis:
    14,4 mm
  4. ●25
    Ein Kupferrohr ist bei 15 °C genau 2 m lang (α = 0,017 mm/(m·K)). Wie viele Millimeter ist es bei 60 °C lang? Berechne mit Einheit.
    vorher: 15 °Cl₀ = 2 m bei 15 °Cnachher: 60 °C, l = ?Δl
    Lösung zeigen
    1. l = l₀ + Δl
    2. Δl = 0,017 mm/(m·K) · 2 m · 45 K = 1,53 mm
    3. l₀ = 2 m = 2000 mm
    4. l = 2000 mm + 1,53 mm = 2001,53 mm
    Ergebnis:
    2001,53 mm
  5. ●26
    Schnee wird gleichmäßig erwärmt, ein Kästchen ist eine Minute. Wie viele Minuten dauert es, das Schmelzwasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen? Berechne mit Einheit.
    −20020406080100010t in minϑ in °C
    Lösung zeigen
    1. Das Wasser wird im steigenden Stück zwischen den beiden waagerechten Stücken wärmer.
    2. Es beginnt bei 4 min und erreicht 100 °C bei 7 min.
    3. Dauer = 7 min − 4 min = 3 min
    Ergebnis:
    3 min
  6. ●27
    Wasser mit 20 °C kommt ins Gefrierfach und wird zu Eis. Was geschieht dabei mit seinen Teilchen? Erkläre im Teilchenmodell.
    festflüssiggasförmigErstarren: Teilchen?Wasser, 20 °C
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen selbst bleiben immer gleich: gleich groß, gleich hart, nicht nass.
    2. Es ändern sich nur ihr Abstand, ihre Ordnung und wie schnell sie sich bewegen.
    3. Sie rücken auf feste Plätze und schwingen nur noch dort.
    Ergebnis:
    Sie rücken auf feste Plätze und schwingen nur noch dort.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Temperatur und Wärme
Temperatur sagt, wie warm es ist. Wärme ist die Energie, die von warm nach kalt fließt.
Stoffe dehnen sich aus
Wärmer heißt: Die Teilchen bewegen sich stärker und brauchen mehr Platz.
Teilchenmodell
Fest: Teilchen auf festen Plätzen.
Beim Übergang bleibt die Temperatur gleich
Während Eis schmilzt, ändert sich seine Temperatur nicht.
Wärmemenge
Q = c · m · ΔT. Wasser braucht besonders viel: 4200 J je Kilogramm und Kelvin.
Drei Wege
Leitung im Stoff, Strömung mit dem Stoff, Strahlung auch durch das Vakuum – deshalb wärmt die Sonne.
Dämmen heißt Wege sperren
Eine gute Dämmung schließt Luft in kleinen Kammern ein: Luft leitet schlecht, und eingeschlossene Luft kann nicht strömen.

AchtungΔT statt Endtemperatur

So nicht
Wasser von 20 °C auf 80 °C: Q = 4,2 · 2 · 80
So richtig
ΔT = 80 − 20 = 60 K → Q = 4,2 · 2 · 60 = 504 kJ  (der Unterschied, nicht die Endtemperatur)

In Q = c · m · ΔT steht der UNTERSCHIED, nicht die Endtemperatur.

AchtungTemperatur mit Wärme gleichgesetzt

So nicht
Beide 90 °C, also enthält der Eimer genauso viel Wärme wie der Teelöffel
So richtig
gleiche Temperatur, verschiedene Wärmemenge: Q = c · m · ΔT → 10 kg → 10-mal so viel wie 1 kg

Ein Teelöffel und ein Eimer können gleich warm sein – die Wärmemenge ist völlig verschieden.

AchtungBeim Schmelzen steigt die Temperatur

So nicht
Eis von −10 °C, Heizplatte an: Temperatur steigt gleichmäßig bis 20 °C
So richtig
−10 °C → 0 °C, dort BLEIBT sie, bis das Eis geschmolzen ist, dann weiter auf 20 °C

Solange Eis und Wasser nebeneinander sind, bleibt es 0 °C.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich unterscheide Temperatur und Wärme.

    28
    In der Brotdose liegt ein Kühlakku mit −18 °C neben einem Joghurt mit 20 °C. Was geschieht?
    Kühlakku−18 °CJoghurt20 °CIn welche Richtung fließt Energie?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.

  2. Ich beschreibe die Ausdehnung von Stoffen bei Erwärmung.

    29
    Eine Aluminiumleiter ist 3 m lang und wird um 60 K wärmer (α = 0,024 mm/(m·K)). Um wie viele Millimeter wird sie länger? Berechne mit Einheit.
    vorherl₀ = 3 m60 K wärmerΔl = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,32 mm

  3. Ich erkläre die Aggregatzustände im Teilchenmodell.

    30
    Eis wird gleichmäßig erwärmt, ein Kästchen ist eine Minute. Wie viele Minuten dauert es, das Schmelzwasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen? Berechne mit Einheit.
    −20020406080100012t in minϑ in °C
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3 min

  4. Ich lese und deute Temperatur-Zeit-Diagramme.

    31
    Butter wird in der warmen Pfanne bei 30 °C flüssig. Was geschieht dabei mit ihren Teilchen? Erkläre im Teilchenmodell.
    festflüssiggasförmigSchmelzen: Teilchen?Butter, 30 °C
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sie verlassen ihre festen Plätze und bleiben gleich groß.

  5. Ich berechne Wärmemengen.

    32
    5 kg Wasser werden um 50 K erwärmt (c = 4,2 kJ/(kg·K)). Wie viel Wärme ist dafür nötig? Berechne mit Einheit.
    m = 5 kgQ = ?ΔT = 50 K
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1050 kJ

  6. Ich unterscheide Wärmeleitung, Strömung und Strahlung.

    33
    Du hältst einen Eiswürfel mit −18 °C in der Hand. Erkläre: Wie kommt die Energie von der Hand ins Eis?
    Hand?Eis−18 °CWie kommt die Energie hinüber?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    durch Leitung, von Teilchen zu Teilchen

  7. Ich beurteile Dämmung und Energiesparen.

    34
    Eine ungedämmte Wand hat 20 m² und den U-Wert 1,2 W/(m²·K). Drinnen sind 21 °C, draußen −10 °C. Wie viel Wärme fließt je Sekunde hindurch? Berechne mit Einheit.
    drinnen21 °CU = 1,2A = 20 m²draußen−10 °CP = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    744 W

  8. Ich übe gemischte Aufgaben.

    35
    In der Brotdose liegt ein Kühlakku mit −15 °C neben einem Joghurt mit 20 °C. Was geschieht?
    Kühlakku−15 °CJoghurt20 °CIn welche Richtung fließt Energie?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum fühlt sich ein Metallgeländer kälter an als Holz, obwohl beides gleich warm ist?

Lies deine Vermutung vom Anfang. Kannst du die Frage jetzt mit dem Kapitel beantworten?

Auflösung

Beides hat dieselbe Temperatur. Metall leitet die Wärme aber viel besser: Es führt sie schnell von deiner Hand weg, und das spürst du als kalt. Holz leitet schlecht und bleibt an der Stelle warm, die du berührst.

Wörter

Gleichung
zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind

Lösungen

  1. Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
  2. Energie fließt von der Limonade zum Eis.
  3. die Badewanne
  4. 2,88 mm
  5. 9 mm
  6. 12 cm
  7. 3 min
  8. 3 min
  9. 48 kJ
  10. Sie lösen sich voneinander und fliegen einzeln umher.
  11. Sie lösen sich voneinander und fliegen einzeln umher.
  12. Die Energie löst die Teilchen, sie werden nicht schneller.
  13. 378 kJ
  14. 504 kJ
  15. 239,4 kJ
  16. durch Strömung, der warme Stoff wandert
  17. durch Strömung, der warme Stoff wandert
  18. Durch das gedämmte Dach geht viel weniger Energie hinaus.
  19. 480 W
  20. 384 W
  21. 120 W
  22. Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
  23. 252 kJ
  24. 14,4 mm
  25. 2001,53 mm
  26. 3 min
  27. Sie rücken auf feste Plätze und schwingen nur noch dort.
  28. Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.
  29. 4,32 mm
  30. 3 min
  31. Sie verlassen ihre festen Plätze und bleiben gleich groß.
  32. 1050 kJ
  33. durch Leitung, von Teilchen zu Teilchen
  34. 744 W
  35. Energie fließt vom Joghurt zum Kühlakku.