Badewasser mischen
AFB I–IIBeim Einlassen eines Bades fließen zuerst 60 kg Wasser von 55 °C in die Wanne. Anschließend kommen 40 kg Wasser von 12 °C dazu. Die Wanne selbst und die Umgebung sollen unberücksichtigt bleiben. Für Wasser gilt \(c = 4180\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}\).
- Geben Sie die Richtung des Energieflusses und die beiden Wärmen, die in der Energiebilanz gleich groß sind, an.
- Berechnen Sie die Mischtemperatur des Badewassers.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Energie fließt vom 55 °C warmen zum 12 °C kalten Wasser. Gleich groß sind die abgegebene und die aufgenommene Wärme: \(Q_{ab}=Q_{auf}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(c\,m_1\,(T_1-T_M)=c\,m_2\,(T_M-T_2)\), \(c\) kürzt sich. Einsetzen: \(60\,\mathrm{kg}\cdot(55\,^\circ\mathrm{C}-T_M)=40\,\mathrm{kg}\cdot(T_M-12\,^\circ\mathrm{C})\). Ausmultiplizieren: \(3300-60\,T_M=40\,T_M-480\), also \(3780=100\,T_M\) und \(T_M=37{,}8\,^\circ\mathrm{C}\). Das Badewasser hat rund 37,8 °C — angenehme Badetemperatur.
Der Mischversuch im Becherglas
AFB II–IIIEine Gruppe mischt in einem offenen Becherglas 0,200 kg Wasser von 80,0 °C mit 0,300 kg Wasser von 20,0 °C. Nach dem Umrühren zeigt das Thermometer 41,0 °C. Das Becherglas hatte vorher Raumtemperatur, die Raumluft 21 °C. Für Wasser gilt \(c = 4180\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}\).
- Ermitteln Sie die Mischtemperatur, die sich rechnerisch ergeben müsste.
- Deuten Sie die Abweichung zwischen berechnetem und gemessenem Wert.
- Entwickeln Sie einen verbesserten Versuchsaufbau, mit dem die Abweichung kleiner ausfällt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(0{,}200\,\mathrm{kg}\cdot(80{,}0\,^\circ\mathrm{C}-T_M)=0{,}300\,\mathrm{kg}\cdot(T_M-20{,}0\,^\circ\mathrm{C})\) führt auf \(16{,}0+6{,}0=0{,}500\,T_M\), also \(T_M=44{,}0\,^\circ\mathrm{C}\). Rechnerisch wären 44,0 °C zu erwarten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Gemessen wurden 41,0 °C statt der berechneten 44,0 °C, also 3,0 K weniger. Ein Teil der vom warmen Wasser abgegebenen Energie erwärmt das Becherglas, das Thermometer und die Raumluft, statt ins kalte Wasser zu fließen. Zahlenmäßig: abgegeben \(4180\cdot0{,}200\cdot39{,}0\,\mathrm{J}=32\,604\,\mathrm{J}\), aufgenommen \(4180\cdot0{,}300\cdot21{,}0\,\mathrm{J}=26\,334\,\mathrm{J}\) — rund 6,3 kJ fehlen. Die einfache Bilanz \(Q_{ab}=Q_{auf}\) erfasst nur die beiden Wasserportionen, deshalb liegt der Messwert systematisch unter dem Rechenwert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Mögliche Maßnahmen mit Begründung: ein Kalorimeter statt des Becherglases (doppelwandig, isoliert, mit Deckel) hält den Energieabfluss an die Umgebung klein; das Gefäß vorher mit heißem Wasser anwärmen oder seine Wärmekapazität in die Bilanz aufnehmen; zügig umrühren und sofort ablesen, damit weniger Zeit für Verluste bleibt; ein Thermometer mit kleiner Masse verwenden. Als vollständig gilt eine Antwort mit mindestens zwei konkreten Maßnahmen und der Begründung, warum sie den Energieverlust verringern.
