Wärmelehre - innere Energie, Physikübungen

Änderung der inneren Energie durch Wärme oder Arbeit, Wärmeübertragung, Schmelz- und Verdampfungswärme - Lehrplan

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c = 2100 J/(kg · K)
Die Wärmemenge ΔQ berechnet sich mit ΔQ = c · m · ΔT.
Temperaturänderung durch Wärme

Die spezifische Wärmekapazität c eines Materials sagt aus, wie viel Energie nötig ist, um ein Kilogramm des Materials um ein Kelvin zu erwärmen. (Analog: Wie viel Energie frei wird, wenn die Temperatur von einem Kilogramm des Materials um ein Kelvin sinkt.)

Beispiele (bei Normaldruck):

Material c in J/(kg · K)

Wasser 4190

Eis 2100

Kupfer 382,0

Luft 1010

Beton 880

Kunststoff 1400

Um einen Körper zu erwärmen bzw. abzukühlen kann man ihm eine Wärmemenge ΔQ zu- bzw. abführen.
ΔQ = c · m · ΔT [J]
- c: spezifische Wärmekapazität des Materials
- m: Masse des Körpers
- ΔT: Temperaturunterschied (positiv)

TIPP Beispiel-Aufgabe: Zu diesem Aufgabentyp gibt es eine passende Beispiel-Aufgabe. Klicke dazu auf "Hilfe zu dieser Aufgabe" unterhalb der Aufgabe.

Berechne mit der Tabelle in der Hilfe die Wärmemenge die zu- oder abgeführt werden muss. Runde das Ergebnis - falls nötig - auf die geltenden Ziffern.

700

g

Eis soll von
−
10,0°C

auf
−
1,00°C

erwärmt werden.
ΔQ
=

kJ

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Temperatur und innere Energie

Die Teilchen eines Körpers besitzen je nach Temperatur und Aggregatzustand des Körpers unterschiedlich viel kinetische und potenzielle Energie.

Temperatur
Die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Körpers ist ein Maß für dessen absolute Temperatur T.
Innere Energie
Die Summe der kinetischen und potenziellen Energien aller Teilchen eines Körpers ist dessen innere Energie U.

Die Temperatur ändert sich nicht bei Aggregatzustandsänderungen.

Änderung der inneren Energie
Die innere Energie U eines Körpers erhöht sich, wenn ihm Wärme Q zugeführt oder Arbeit W an ihm verrichtet wird.
ΔU = W + Q

Wärmeübertragung
Durch Temperaturunterschiede kann es zu einer Wärme- bzw. Energieübertragung kommen. Man unterscheidet dabei grundsätzlich drei verschiedene Arten:

Wärme- leitung (Konduktion)	Wärme- strömung (Konvektion)	Wärme- strahlung
kein Transport von Materie	Transport von Materie	kein Transport von Materie
Teilchen stoßen aneinander	"warme" Teilchen steigen auf, "kalte" sinken	"Welle" von Energie
besonders in fester Materie	nur in Flüssigem oder Gasen	überall möglich
nur von warm nach kalt	beide Richtungen möglich	nur von warm nach kalt
z.B. Topf erwärmt sich von unten	z.B. heißes und kaltes Wasser mischt sich	z.B. Strahlung der Sonne durchs Weltall

Schmelzwärme
Die spezifische Schmelzwärme s eines Materials sagt aus, wie viel Energie nötig ist, um ein Kilogramm des Materials bei seiner Schmelztemperatur ϑ_s zu schmelzen. (Analog: Wie viel Energie frei wird, wenn ein Kilogramm des Materials erstarrt.)
Beispiele (bei Normaldruck):

Material	ϑ_s	s
Eis	0°C	334 kJ/kg
Kupfer	1085°C	205 kJ/kg
Wachs	60°C	174 kJ/kg
Aluminium	660°C	398 kJ/kg

Verdampfungswärme
Die spezifische Verdampfungswärme r eines Materials sagt aus, wie viel Energie nötig ist, um ein Kilogramm des Materials bei seiner Siedetemperatur ϑ_r zu verdampfen. (Analog: Wie viel Energie frei wird, wenn ein Kilogramm des Materials kondensiert.)
Beispiele (bei Normaldruck):

Material	ϑ_r	r
Wasser	100°C	2256 kJ/kg
Eisen	2750°C	6260 kJ/kg
Aluminium	2467°C	10 900 kJ/kg
Quecksilber	357°C	295 kJ/kg

Beispiel

Zur Herstellung von Kupferrohren werden in einer Fabrik

0,568

Kupfer pro Stunde geschmolzen.

Schmelzwärme pro Stunde:

ΔQ

▇

Temperaturänderung durch Wärme

Die spezifische Wärmekapazität c eines Materials sagt aus, wie viel Energie nötig ist, um ein Kilogramm des Materials um ein Kelvin zu erwärmen. (Analog: Wie viel Energie frei wird, wenn die Temperatur von einem Kilogramm des Materials um ein Kelvin sinkt.)

Beispiele (bei Normaldruck):

Material	c in J/(kg · K)
Wasser	4190
Eis	2100
Kupfer	382,0
Luft	1010
Beton	880
Kunststoff	1400

Um einen Körper zu erwärmen bzw. abzukühlen kann man ihm eine Wärmemenge ΔQ zu- bzw. abführen.
ΔQ = c · m · ΔT [J]

c: spezifische Wärmekapazität des Materials
m: Masse des Körpers
ΔT: Temperaturunterschied (positiv)

Beispiel

1,00

Wasser soll von

20,0°C

auf

4,00°C

abgekühlt werden. Berechne die Wärmemenge, die dem Wasser entzogen werden muss.

ΔQ

▇

Berechne mit der Tabelle in der Hilfe die Wärmemenge die zu- oder abgeführt werden muss. Runde das Ergebnis - falls nötig - auf die geltenden Ziffern.

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Thermische Energie | alpha Lernen erklärt Physik