Wärmelehre - innere Energie, Physikübungen

Änderung der inneren Energie durch Wärme oder Arbeit, Wärmeübertragung, Schmelz- und Verdampfungswärme - Gesamtaufgabenbestand (lehrplanunabhängig)

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    Die Summe der kinetischen und potenziellen Energien der Teilchen eines Körpers ist dessen innere Energie.
  • 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

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  • Die (absolute) Temperatur eines Körpers ist definiert über…
    die mittlere potenzielle Energie seiner Teilchen.
    die Summe der kinetischen und potenziellen Energien seiner Teilchen.
    die mittlere kinetische Energie seiner Teilchen.
    die mittlere innere Energie.
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Thermische Energie | alpha Lernen erklärt Physik
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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 MaterieTransport von Materiekein Transport von Materie
Teilchen stoßen aneinander"warme" Teilchen steigen auf, "kalte" sinken"Welle" von Energie
besonders in fester Materienur in Flüssigem oder Gasenüberall möglich
nur von warm nach kaltbeide Richtungen möglichnur von warm nach kalt
z.B. Topf erwärmt sich von untenz.B. heißes und kaltes Wasser mischt sichz.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 ϑs zu schmelzen. (Analog: Wie viel Energie frei wird, wenn ein Kilogramm des Materials erstarrt.)
Beispiele (bei Normaldruck):
Materialϑss
Eis0°C334 kJ/kg
Kupfer1085°C205 kJ/kg
Wachs60°C174 kJ/kg
Aluminium660°C398 kJ/kg


Verdampfungswärme
Die spezifische Verdampfungswärme r eines Materials sagt aus, wie viel Energie nötig ist, um ein Kilogramm des Materials bei seiner Siedetemperatur ϑr zu verdampfen. (Analog: Wie viel Energie frei wird, wenn ein Kilogramm des Materials kondensiert.)
Beispiele (bei Normaldruck):
Materialϑrr
Wasser100°C2256 kJ/kg
Eisen2750°C6260 kJ/kg
Aluminium2467°C10 900 kJ/kg
Quecksilber357°C295 kJ/kg
Beispiel
Zur Herstellung von Kupferrohren werden in einer Fabrik 
0,568
 
t
 Kupfer pro Stunde geschmolzen.
Schmelzwärme pro Stunde:
ΔQ
=
▇
 
MJ
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):
Materialc in J/(kg · K)
Wasser4190
Eis2100
Kupfer382,0
Luft1010
Beton880
Kunststoff1400

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
 
kg
 Wasser soll von 
20,0°C
 auf 
4,00°C
 abgekühlt werden. Berechne die Wärmemenge, die dem Wasser entzogen werden muss.
ΔQ
=
▇
 
kJ