Thermisches Gleichgewicht – heißer Körper in Wasser
PhysikWärmelehre und GaseAlter 17–18Virtuelles Labor
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Als Nächstes in Wärmelehre und Gase
Körper 1 (Metall, Wasser oder Eis von 0 °C) mit der Masse m₁ und der Temperatur T₁ wird in einem Kalorimeter in Wasser der Masse m₂ mit der Temperatur T₂ gegeben. Wärme fließt vom heißen zum kalten Körper, bis sich ein Gleichgewicht einstellt; das T(t)-Diagramm beider Körper und die Wärme Q abgegeben = Q aufgenommen = mcΔT werden laufend aktualisiert. Bei Eis sieht man deutlich den waagerechten Abschnitt bei 0 °C während des Schmelzens (spezifische Schmelzwärme). Verschieben Sie die Regler T₁ und T₂, um es erneut zu versuchen.
Lektion: Innere Energie, Wärme, spezifische Wärmekapazität, spezifische Schmelzwärme, Wärmebilanzgleichung (Richmannsche Mischungsregel)
Was sie zeigt
Wird ein heißer Körper in einem isolierten Kalorimeter in kälteres Wasser gegeben, geht Energie als Wärme vom wärmeren auf den kälteren Körper über, bis beide dieselbe Temperatur haben. Ohne Verluste ist die abgegebene gleich der aufgenommenen Wärme, und für jeden Körper gilt Q = mcΔT. Die Mischungstemperatur ist daher ein gewichteter Mittelwert, der näher bei dem Körper mit der größeren Wärmekapazität mc liegt. Ist der Körper Eis von 0 °C, wird die Energie zunächst zum Schmelzen verwendet, Q = mλ mit der spezifischen Schmelzwärme λ, ohne dass seine Temperatur steigt.
So funktioniert es
Sagen Sie mit dem voreingestellten Aluminiumkörper bei 100 °C und Wasser bei 20 °C die Mischungstemperatur mithilfe der Wärmebilanzgleichung voraus und beobachten Sie dann das T(t)-Diagramm. Stellen Sie das Material von Körper 1 bei gleichen Massen und Temperaturen auf Kupfer oder Eisen um, um den Einfluss der spezifischen Wärmekapazität zu sehen. Wählen Sie danach Eis von 0 °C und suchen Sie den waagerechten Abschnitt der Kurve während des Schmelzens. Eine veränderte Masse des Wassers zeigt, wie viel Wasser die Temperaturänderung begrenzt.
Einstellbare Parameter
- Masse von Körper 1 0,1–5 kg
- Material von Körper 1 Aluminium (c = 880 J/kg·K), Kupfer (c = 380 J/kg·K), Eisen (c = 460 J/kg·K), Wasser (c = 4200 J/kg·K), Eis von 0 °C (λ = 334 kJ/kg)
- Anfangstemperatur von Körper 1 0–100 °C
- Masse des Wassers 0,1–5 kg
- Anfangstemperatur des Wassers 0–100 °C
Fragen zum Erkunden
- Warum liegt die Mischungstemperatur viel näher an der Anfangstemperatur des Wassers, wenn Körper 1 aus Metall ist?
- Erwärmt Kupfer oder Aluminium bei gleicher Masse und Anfangstemperatur das Wasser stärker, und warum?
- Was zeigt der waagerechte Abschnitt bei 0 °C in der Eiskurve darüber, wofür die aufgenommene Energie verwendet wird?
