Physikquiz

Grundwissen Temperatur und Wärme

1. Größen und Einheiten

Größe Formelzeichen Einheit Messgerät Bedeutung
Temperatur

Grad Celsius
1°C

Thermometer Gibt an, wie groß die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers ist. Ist ein Maß für die thermische Energie.
T Kelvin
1 K
Thermometer
Wärme Q Joule,
1 J
Uhr Gibt an, wieviel thermische Energie zwischen zwei Körpern ausgetauscht wird. (Energie auf Wanderschaft)
spezifische Wärmekapazität c Joule je Kilogramm und Kelvin
  Gibt an, welche Wärme zugeführt oder abgegeben wird, um die Temperatur eines Kilogramms eines Stoffes um 1 K zu ändern.
Druck p Pascal,
1 Pa
Barometer Gibt an, wie groß die Kraft auf eine bestimmte Fläche ist.
Volumen V Kubikmeter, Liter,
Messzylinder Gibt an, wieviel Raum ein Körper einnimmt.

2. Formeln und Gesetze

3. Zusammenhänge

Temperaturverhalten

Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Stoffes. Je höher die Temperatur, um so schneller schwingen die Teilchen und um so mehr Platz beanspruchen sie. Bei Temperaturerhöhung dehnen sich die meisten Stoffe aus.
Wasser macht eine Ausnahme: kühlt man Wasser ab, zieht es es sich bis 4°C zusammen, dehnt sich dann aber wieder aus. Wasser hat bei 4°C seine größte Dichte.
Ein Körper lässt sich solange abkühlen, bis die Teilchen nicht mehr schwingen. Diese niedrigste Temperatur ist für alle Stoffe gleich und heißt absoluter Nullpunkt. Er liegt bei -273,15 °C = 0 K.

Temperaturskalen

Es gibt verschiedene Temperaturskalen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in der Festlegung der Fixpunkte.

  Celsius-Temperatur Fahrenheit-Temperatur Kelvin-Temperatur
unterer Fixpunkt 0°C = Schmelzpunkt des Wassers 0°F = Salz-Eis-Gemisch = -17,8 °C 0 K = absoluter Nullpunkt, Wärmebewegung der Teilchen hat aufgehört.
oberer Fixpunkt 100°C = Siedepunkt des Wassers 100°F =Körpertemperatur des Menschen = 37,8 °C keinen, aber es gilt:
273,15 K = 0 °C.
Temperaturunterschiede: 1 K = 1 °C

Gasgesetze

Der Zustand eines Gases kann durch die drei Größen Druck, Volumen und Temperatur beschrieben werden. Lässt man jeweils eine Größe konstant, gelten zwischen den anderen beiden folgende Zusammenhänge:

Name Gesetz Beispiel
Boylsches Gesetz: Bei konstanter Temperatur sind Druck und Volumen zueinander umgekehrt proportional. Presst man einen Luftballon zusammen, erhöht sich im Ballon der Druck.
Gesetz von Amontos Bei konstantem Volumen sind Druck und Temperatur zueinander proportional. Wird eine Spraydose in die Sonne gelegt, bleibt ihr Volumen gleich, die Temperatur erhöht sich und der Druck wird größer.
Gesetz von Gay-Lussac: Bei konstantem Druck sind Volumen und Temperatur zueinander proportional. Erwärmt sich in einem Zimmer die Luft, erhöht sich das Volumen der Luft und strömt durch alle möglichen Öffnungen (z.B. Schlüsselloch) nach außen.

Aggregatzustandsänderungen

In der Thermodynamik werden 3 Aggregatzustände unterschieden: fest, flüssig und gasförmig.

Bezeichnung Übergang
Schmelzen fest -> flüssig
Verdampfen flüssig -> gasförmig bei Siedetemperatur
Verdunsten flüssig -> gasförmig unter der Siedetemperatur
Kondensieren gasförmig -> flüssig
Erstarren flüssig -> fest
Sublimieren fest -> gasförmig
Resublimieren gasförmig -> fest

Ändert ein Stoff seinen Aggregatzustand, ist für diesen Übergang Energie notwendig. Diese Energie erhöht nicht die Temperatur des Stoffes, sondern dient allein zum Verändern der Teilchenanordnungen.

Wärmeübertragung

Wärme kann auf drei verschiedene Arten von einem Körper auf einen anderen übertragen werden:

Art Erklärung
Wärmeströmung Ein flüssiger oder gasförmiger Stoff transportiert die Wärme, indem er selbst den Ort wechselt.
Beispiel: An heißen Heizkörpern strömt die Luft vorbei und transportiert die Wärme ins Zimmer
Wärmeleitung In einem Stoff breitet sich die Wärme aus, ohne das der Stoff seinen Ort wechselt. Die Energie wird durch die Teilchenbewegung weitergeleitet.
Beispiel: Die Wärme des Herdes wird durch Leitung durch den Topf auf den Inhalt übertragen.
Wärmestrahlung Wärme wird ohne einen Stoff durch elektromagnetischen Wellen (Infrarotstrahlung) übertragen.
Beispiel: Sitzt man an einem Lagerfeuer, spürt man die Wärme des Feuers durch die Strahlung.

Temperatur und Wärme

Aufgabe: Klicke bei jeder Frage die richtige Lösung an, es kann immer nur eine sein.
Überprüfe danach die Eingaben.
1. Der Übergang flüssig -> gasförmig wird als Verdunsten und Verdampfen bezeichnet. Worin besteht der Unterschied zwischen Verdunsten und Verdampfen?

Verdampfen: erfolgt bei Wärmezufuhr, Verdunsten: geht von alleine
Da gibt es keinen Unterschied.
Verdampfen: erfolgt bei der Siedetemperatur, Verdunsten: erfolgt unterhalb der Siedetemperatur

2. Beim Eierkochen muss die Wärme bis zum Inneren des Eies vordringen. Welcher Prozess der Wärmeübertragung spielt dabei eine Rolle.

Wärmeströmung.
Wärmestrahlung.
Wärmeleitung.

3. Welches Formelzeichen hat die physikalische Größe Temperatur, wenn sie in Kelvin angegeben wird?


4. Weihnachten werden Pyramiden durch brennende Kerzen in Bewegung versetzt. Welcher Vorgang der Wärmeübertragung bewirkt das?

Wärmeleitung
Wärmeströmung
Wärmestrahlung

5. Was ist ein in der Physik ein "ideales Gas"?

Ein Gas, für das gilt: Druck mal Volumen durch Temperatur ist konstant.(p*V/T = konst.)
Ein Gas, das als Treibgas eingesetzt werden kann und keine FCKW enthält.
Ein Stoff, der unter Normalbedingungen gasförmig ist.

6. Welches Formelzeichen hat die physikalische Größe Wärme?

E
Q
W

7. Bei welchem Vorgang wird Wärme durch Wärmeleitung übertragen?

Wärmeübertragung von einem Teelicht zur darüber stehenden Kaffekanne.
Wärmeübertragung vom Ofen zum Heizkörper durch eine Warmwasserheizung.
Wärmeübertragung zwischen einer elektrischen Herdplatte und dem Topf.

8. Warum kann man einen Körper nur bis zum absoluten Nullpunkt abkühlen?

Bei dieser Temperatur hört die Bewegung der Teilchen auf, kälter kann es nicht werden.
Die technischen Möglichkeiten erlauben es heute noch nicht, eine geringere Temperatur zu erzielen.
Man hat noch keinen Stoff gefunden, der bei einer noch kleineren Temperatur flüssig ist.

9. Ein Gas wird abgekühlt und geht über den flüssigen in den festen Aggregatzustand über. Welche Reihenfolge ist richtig?

Kondensieren -> Resublimieren
Verdunsten -> Erstarren
Kondensieren -> Erstarren

10. Wenn man im Winter einen Körper aus Holz und einen Körper aus Metall anfäßt, die lange Zeit draußen waren, fühlt sich der Metallkörper deutlich kälter an. Woran liegt das?

Metall hat eine kleinere Wärmekapazität und hat wirklich eine geringere Temperatur.
Chemische Reaktionen erwärmen das Holz von innen heraus. Deshalb ist organische Materie immer wärmer.
Metall leitet die Wärme aus der Hand besser als Holz weg. Deshalb scheint das Metall kälter.

Auswertung:

Erklärung:
richtige Antwort
falsche Antwort
wäre richtig gewesen