Temperatur und Wärmeenergie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Warum wird ein Metalllöffel in heißem Tee warm? Warum schmilzt Eis? Und warum kann ein Becher Wasser dieselbe Temperatur wie eine Badewanne haben, aber viel weniger innere Energie enthalten?

In diesem aiMOOC lernst Du den Unterschied zwischen Temperatur, innerer Energie und Wärme kennen. Du untersuchst außerdem, wie Energie übertragen wird.

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Temperatur

Die Temperatur beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers. Sie zeigt, wie warm oder kalt ein Körper ist. Gemessen wird sie mit einem Thermometer.

Im Alltag nutzt man meist die Einheit Grad Celsius. In der Physik ist Kelvin die SI-Einheit der Temperatur.

Im Teilchenmodell gilt vereinfacht: Je höher die Temperatur ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen im Durchschnitt.

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Wärmeenergie und Wärme

Im Alltag wird oft von Wärmeenergie gesprochen. In der Physik unterscheidet man genauer:

Innere Energie ist die Energie, die in der Bewegung und Anordnung der Teilchen eines Körpers steckt. Sie hängt unter anderem von der Temperatur, der Masse, dem Stoff und dem Aggregatzustand ab.

Wärme mit dem Formelzeichen Q ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds übertragen wird. Wärme fließt von einem wärmeren zu einem kälteren Körper, bis ein Temperaturausgleich erreicht ist.

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Wege der Wärmeübertragung

Energie kann auf drei wichtige Arten übertragen werden:

1. Wärmeleitung: Teilchen geben Energie an benachbarte Teilchen weiter. Metalle leiten Wärme meist gut.
2. Wärmeströmung: Warme Flüssigkeiten oder Gase bewegen sich und transportieren Energie.
3. Wärmestrahlung: Energie wird durch elektromagnetische Strahlung übertragen. Dafür ist kein Stoff nötig.

Datei:Convection currents in a beaker of water.webm

Datei:Heat Transfer.gif

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Erwärmung berechnen

Wird ein Stoff erwärmt, kann die übertragene Wärme näherungsweise so berechnet werden:

$Q=m\cdot c\cdot \Delta T$

Dabei bedeutet:

1. Q: übertragene Wärme in Joule
2. m: Masse in Kilogramm
3. c: spezifische Wärmekapazität des Stoffes
4. ΔT: Temperaturänderung in Kelvin oder Grad Celsius

Eine größere Masse braucht bei gleicher Temperaturänderung mehr Energie. Auch der Stoff ist wichtig. Wasser benötigt zum Erwärmen besonders viel Energie.

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Beispiel

Ein Kilogramm Wasser wird um 10 Grad Celsius erwärmt. Für Wasser gilt ungefähr $c=4200\frac{J}{kg\cdot K}$.

$Q=1\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot 4200\frac{J}{kg\cdot K}\cdot 10\mathrm{K}$

$Q=42000\mathrm{J}$

Dazu werden ungefähr 42 Kilojoule Energie benötigt.

Lernbereiche

1. Physik: Wärmelehre und Energieübertragung
2. Thermodynamik: Temperatur, innere Energie und Wärme
3. Teilchenmodell: Bewegung von Teilchen bei verschiedenen Temperaturen
4. Energie: Speicherung und Übertragung von Energie
5. Alltagsphysik: Heizen, Kühlen und Wärmedämmung

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die Temperatur? (Den thermischen Zustand eines Körpers) (!Die Masse eines Körpers) (!Die Farbe eines Körpers) (!Die elektrische Ladung eines Körpers)

Welche Einheit ist die SI-Einheit der Temperatur? (Kelvin) (!Joule) (!Watt) (!Newton)

In welche Richtung wird Wärme ohne weitere Einwirkung übertragen? (Vom wärmeren zum kälteren Körper) (!Vom kälteren zum wärmeren Körper) (!Immer nach oben) (!Immer nach unten)

Welche Einheit besitzt die übertragene Wärme Q? (Joule) (!Kelvin) (!Kilogramm) (!Meter)

Welche Formel beschreibt die Erwärmung eines Stoffes ohne Phasenwechsel? (Q gleich m mal c mal Delta T) (!Q gleich m geteilt durch c) (!Q gleich c geteilt durch Delta T) (!Q gleich m mal Geschwindigkeit)

Was geschieht bei gleicher Temperaturänderung, wenn die Masse verdoppelt wird? (Es wird doppelt so viel Energie benötigt) (!Es wird halb so viel Energie benötigt) (!Die benötigte Energie bleibt gleich) (!Die Temperatur wird automatisch null)

Was bedeutet eine höhere Temperatur im einfachen Teilchenmodell? (Die Teilchen bewegen sich im Durchschnitt schneller) (!Die Teilchen verlieren ihre Masse) (!Die Teilchen werden elektrisch geladen) (!Die Teilchen verschwinden)

Was geschieht beim Schmelzen von Eis unter normalen Bedingungen mit der Temperatur? (Sie bleibt während des Schmelzens ungefähr konstant) (!Sie steigt sofort auf hundert Grad) (!Sie fällt immer weiter) (!Sie wird unabhängig von der Energiezufuhr)

Welche Form der Wärmeübertragung entsteht durch die Bewegung von Wasser? (Konvektion) (!Reflexion) (!Magnetisierung) (!Elektrisierung)

Welche Wärmeübertragung funktioniert auch im Vakuum? (Wärmestrahlung) (!Wärmeleitung) (!Konvektion) (!Wärmeströmung im Wasser)

Memory

Temperatur	Maß für den thermischen Zustand
Wärme	Übertragene Energie
Thermometer	Messgerät für die Temperatur
Kelvin	SI-Einheit der Temperatur
Wärmekapazität	Energiebedarf für eine Temperaturänderung
Konvektion	Energietransport durch strömende Stoffe

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Thermometer	Temperatur messen
Wärmeleitung	Metalllöffel wird im Tee warm
Konvektion	Wasser bewegt sich im Topf
Wärmestrahlung	Sonne erwärmt die Erde
Wärmedämmung	Thermosflasche bremst den Energieaustausch

Kreuzworträtsel

Thermometer	Welches Gerät misst die Temperatur?
Kelvin	Wie heißt die SI-Einheit der Temperatur?
Leitung	Wie heißt der Wärmetransport in einem Metallstab?
Strömung	Wie wird Wärme durch bewegte Flüssigkeiten übertragen?
Strahlung	Welche Wärmeübertragung funktioniert auch im Vakuum?
Energie	Was wird beim Erwärmen auf einen Körper übertragen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers. Ein dient zum Messen. Die SI-Einheit der Temperatur heißt . Wärme wird vom wärmeren zum Körper übertragen. Die Einheit der Wärme ist das . Bei der Konvektion transportiert ein strömender Energie.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Temperaturtagebuch: Miss an drei Orten die Temperatur und notiere Ort, Uhrzeit und Messwert.
2. Teilchenmodell: Zeichne Teilchen bei niedriger und bei hoher Temperatur. Zeige die Bewegung mit Pfeilen.
3. Medienanalyse: Suche in den Bildern und Videos dieses Kurses je ein Beispiel für Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.
4. Alltagsbeispiele: Fotografiere oder zeichne drei Gegenstände, bei denen Wärmedämmung wichtig ist.

Standard

1. Abkühlungskurve: Miss fünfzehn Minuten lang die Temperatur von warmem Wasser. Zeichne ein Temperatur-Zeit-Diagramm.
2. Materialvergleich: Stelle einen Metall- und einen Holzlöffel in warmes Wasser. Beschreibe vorsichtig den Unterschied. Nutze kein kochendes Wasser.
3. Erklärvideo: Erstelle ein einminütiges Video zum Unterschied zwischen Temperatur und Wärme.
4. Wärmemenge: Berechne die Energie, die für zwei Kilogramm Wasser und eine Temperaturerhöhung von fünf Kelvin nötig ist.

Schwer

1. Kalorimeter: Baue aus zwei ineinandergestellten Bechern und einem Deckel ein einfaches Kalorimeter. Begründe die Bauweise.
2. Wärmedämmung untersuchen: Vergleiche zwei Dämmstoffe. Plane einen fairen Versuch und werte die Messwerte aus.
3. Phasenübergang: Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum die Temperatur beim Schmelzen trotz Energiezufuhr ungefähr gleich bleibt.
4. Energieberatung: Untersuche einen Raum und entwickle drei begründete Vorschläge, wie Wärmeverluste verringert werden können.

Lernkontrolle

1. Badewanne und Tasse: Eine Tasse Wasser und eine volle Badewanne haben beide 40 Grad Celsius. Erkläre, warum ihre innere Energie trotzdem verschieden ist.
2. Temperaturausgleich: Ein heißer Becher steht in einem kühlen Raum. Beschreibe den Energiefluss und den Endzustand.
3. Metall und Holz: Metall und Holz liegen lange im selben Raum. Beide haben dieselbe Temperatur. Begründe, warum sich Metall oft kälter anfühlt.
4. Wasser erwärmen: Vergleiche die Energie, die zum Erwärmen von einem und drei Kilogramm Wasser um dieselbe Temperatur nötig ist.
5. Dämmversuch planen: Entwickle einen Versuch, mit dem zwei Thermosgefäße fair verglichen werden können. Nenne unabhängige, abhängige und konstante Größen.
6. Sonnenwärme: Erkläre, warum die Energie der Sonne die Erde auch durch den nahezu leeren Weltraum erreicht.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

1. den Unterschied zwischen Temperatur, innerer Energie und Wärme erklären,
2. Temperaturwerte in Grad Celsius und Kelvin einordnen,
3. Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung an Beispielen erkennen,
4. die Formel $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$ anwenden,
5. Messergebnisse in einem Diagramm darstellen,
6. einen einfachen Wärmeversuch planen, sicher durchführen und auswerten.

Links

Temperatur und Wärmeenergie Temperatur Thermometer Kelvin Innere Energie Wärme Wärmekapazität Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Thermodynamik