MINT lernen

Phasenübergänge — schmelzen, sieden und die verborgene Energie

Zwei Sachaufgaben: von der Heizkurve des Eisblocks bis zum Tonkrug in der Sommerhitze.

Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1

Die Heizkurve eines Eisblocks

AFB I–II

Ein Physikkurs erhitzt 0,50 kg Eis von −20 °C gleichmäßig auf einer Heizplatte, bis der letzte Tropfen Wasser verdampft ist. Alle 30 Sekunden wird die Temperatur notiert. Im Labor herrscht Normaldruck. Für Eis gilt \(c_{\mathrm{Eis}} = 2100\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}\).

  1. Beschreiben Sie den Verlauf der Temperatur über die gesamte Messzeit.
  2. Berechnen Sie die Wärme, die zum Erwärmen des Eises von −20 °C auf 0 °C nötig ist.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Achten Sie darauf, wo die Messkurve ansteigt und wo sie waagerecht verläuft.Beschreiben verlangt eine geordnete, fachsprachliche Wiedergabe — die Ursachen müssen Sie hier noch nicht erklären.
Hinweis zu Aufgabe b)
Hier ändert sich die Temperatur wirklich, also gilt \(Q = c\cdot m\cdot\Delta T\). Die Differenz in K angeben.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Temperatur steigt zunächst von −20 °C auf 0 °C. Bei 0 °C bleibt sie konstant, solange Eis schmilzt. Danach steigt sie von 0 °C auf 100 °C. Bei 100 °C bleibt sie erneut konstant, bis alles Wasser verdampft ist. Insgesamt ergibt sich eine ansteigende Kurve mit zwei waagerechten Abschnitten bei den beiden Phasenübergängen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(\Delta T = 0\,^\circ\mathrm{C}-(-20\,^\circ\mathrm{C}) = 20\,\mathrm{K}\); \(Q = c\cdot m\cdot\Delta T = 2100\;\mathrm{\tfrac{J}{kg\cdot K}}\cdot 0{,}50\,\mathrm{kg}\cdot 20\,\mathrm{K} = 21\,000\,\mathrm{J} = 21\,\mathrm{kJ}\). Zum Erwärmen des Eises sind 21 kJ nötig.

2

Kühlen ohne Kühlschrank

AFB II–III

In heißen Ländern werden Getränke in unglasierten Tonkrügen aufbewahrt. Durch die poröse Wand tritt ständig etwas Wasser nach außen und verdunstet dort. Der Inhalt bleibt dabei spürbar kühler als die Umgebungsluft — auch bei 35 °C im Schatten. Ein solcher Krug kühlt umso besser, je trockener und windiger die Luft ist.

  1. Erklären Sie, warum der Inhalt des Tonkrugs kühler bleibt als die Umgebungsluft.
  2. Vergleichen Sie Verdunsten und Sieden hinsichtlich Temperatur, Ort des Vorgangs und Herkunft der Energie.
  3. Beurteilen Sie, ob ein solcher Tonkrug in einem deutschen Sommer eine sinnvolle Alternative zum Kühlschrank ist.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Überlegen Sie, welche Teilchen die Oberfläche verlassen und was das für die zurückbleibenden bedeutet.
Hinweis zu Aufgabe b)
Nutzen Sie genau die drei genannten Kriterien und ordnen Sie beide Vorgänge jedem Kriterium zu.
Hinweis zu Aufgabe c)
Kriterien: erreichbare Kühlwirkung, Abhängigkeit von der Luftfeuchte, Stromverbrauch, Lebensmittelsicherheit. Das Urteil müssen Sie selbst fällen und begründen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Beim Verdunsten verlassen nur die schnellsten Teilchen die Wasseroberfläche. Die zurückbleibenden sind im Mittel langsamer, also sinkt die Temperatur des Wassers. Die zum Verdampfen nötige Energie wird der Krugwand und damit dem Getränk entzogen — das ist die Verdunstungskälte. Weil durch die poröse Wand ständig Wasser nachrückt, wirkt die Kühlung dauerhaft.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Temperatur: Verdunsten geschieht bei jeder Temperatur, Sieden nur bei der Siedetemperatur (Wasser 100 °C bei Normaldruck). Ort: Verdunsten nur an der Oberfläche, Sieden in der ganzen Flüssigkeit unter Blasenbildung. Energie: Beide brauchen dieselbe Verdampfungswärme; beim Verdunsten stammt sie aus der Flüssigkeit selbst, die dabei abkühlt, beim Sieden aus der Heizquelle, während die Temperatur konstant bleibt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Pro: kein Strom, keine Kosten, kein Gerät; die Kühlung läuft von selbst, solange Wasser nachrückt. Contra: Die Wirkung hängt stark von der Luftfeuchte ab, und deutsche Sommer sind oft schwül — dann verdunstet wenig und der Krug kühlt kaum. Erreichbar sind nur wenige Kelvin unter Lufttemperatur, nicht die rund 7 °C eines Kühlschranks; leicht verderbliche Lebensmittel lassen sich so nicht sicher lagern. Vollständig ist eine Antwort, die Pro- und Contra-Argumente nennt und daraus ein begründetes Urteil zieht, etwa: als Ergänzung zum Kühlen von Getränken sinnvoll, als Ersatz für den Kühlschrank nicht.