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Abkühlungskurven – Wärmedämmung, Newtonsches Abkühlungsgesetz und Erstarren

PhysikWärmelehre und GaseAlter 17–18

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Ein virtueller Schülerversuch, der die Temperatur über der Zeit aufzeichnet. A: ein Becherglas mit heißem Wasser, umwickelt mit Watte, Luftpolsterfolie, Zeitungspapier, Filz oder Polystyrol in wählbarer Lagenzahl, mit oder ohne Deckel und mit schwarzer, weißer oder glänzender Außenfläche; lesen Sie das Thermometer 20 Minuten lang alle 30 s ab, zeichnen Sie die Abkühlungskurven und passen Sie T − Tₐ = (T₀ − Tₐ)e^(−t/τ) an, um die Dämmstoffe über ihre Zeitkonstante τ zu vergleichen. B: Abkühlungskurven von Stearinsäure, Salol und Paraffinwachs in einem Reagenzglas mit einem Haltepunkt bei der Erstarrungstemperatur und einer Abschätzung der spezifischen Schmelzwärme.

Lektion: Wärmedämmung, Newtonsches Abkühlungsgesetz, Abkühlungskurven und spezifische Schmelzwärme

Was sie zeigt

Ein heißer Körper verliert umso schneller Energie, je heißer er im Vergleich zur Umgebung ist. Ist der Energieverlust proportional zur Temperaturdifferenz, nimmt diese Differenz exponentiell ab: Das ist das Newtonsche Abkühlungsgesetz mit einer Zeitkonstante τ, die bei besserer Dämmung größer ist. Dämmstoffe schließen Luft ein, die Wärme schlecht leitet, und ein Deckel verhindert Verdunstung und Konvektion an der Oberfläche. Wenn eine reine Flüssigkeit erstarrt, bleibt ihre Temperatur konstant, weil beim Verbinden der Teilchen zum Festkörper latente Wärme frei wird.

So funktioniert es

Wählen Sie in A. Becherglas und Dämmung die Optionen Becherglas umwickeln mit, Lagen, Außenfläche und Deckel und drücken Sie Start; alle 30 s wird abgelesen. Mit Neue Messung testen Sie einen anderen Aufbau, und unter Diagramm wechseln Sie zwischen den Abkühlungskurven, ln(T − Tₐ) über der Zeit und der Abkühlrate über T − Tₐ. Wählen Sie in B. Abkühlungskurve eines Reinstoffs Stoff und Masse und drücken Sie Start, um den Haltepunkt zu sehen.

Einstellbare Parameter

  • Versuch A. Becherglas und Dämmung, B. Abkühlungskurve eines Reinstoffs
  • Dämmstoff Ohne Dämmung, Watte, Luftpolsterfolie, Zeitungspapier, Filz, Polystyrol
  • Anzahl der Lagen 1–5
  • Mit Deckel
  • Außenfläche Unverändert, Mattschwarz lackiert, Weiß lackiert, Glänzende Alufolie
  • Anfangstemperatur des Wassers 50–95 °C
  • Raumtemperatur 10–30 °C
  • Stoff im Reagenzglas Stearinsäure, Salol, Paraffinwachs
  • Masse des Stoffes 5–25 g
  • Abgekühlt in Luft, Becherglas mit Wasser

Fragen zum Erkunden

  1. Welche Größen müssen Sie gleich halten, damit die Dämmstoffe fair verglichen werden?
  2. Warum verringert ein Deckel die Abkühlung viel stärker als eine Lage Zeitungspapier?
  3. Warum bleibt die Temperatur der Stearinsäure beim Erstarren bei etwa 69 °C?

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