Ein Rezept aus den USA
AFB I–IILina backt nach einem amerikanischen Rezept. Dort steht: „Preheat the oven to 350 °F.“ Ihr Backofen ist in Grad Celsius beschriftet und lässt sich zwischen 50 °C und 300 °C einstellen. Im Physikheft daneben liegt die Kelvin-Skala.
- Geben Sie die Formel an, mit der man von Grad Fahrenheit in Grad Celsius umrechnet.
- Berechnen Sie die Backtemperatur in Grad Celsius und anschließend in Kelvin.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Umrechnung lautet \(\vartheta_\mathrm{C} = (\vartheta_\mathrm{F} - 32) \cdot \tfrac{5}{9}\).
Antwortsatz: Von Grad Fahrenheit nach Grad Celsius rechnet man mit \(\vartheta_\mathrm{C} = (\vartheta_\mathrm{F} - 32) \cdot \tfrac{5}{9}\) um — erst 32 abziehen, dann mit \(\tfrac{5}{9}\) multiplizieren.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(\vartheta_\mathrm{C} = (\vartheta_\mathrm{F} - 32) \cdot \tfrac{5}{9}\) und anschließend \(T = \vartheta_\mathrm{C} + 273{,}15\,\text{K}\).
Rechnung: \(\vartheta_\mathrm{C} = (350 - 32) \cdot \tfrac{5}{9} = 318 \cdot \tfrac{5}{9} = 176{,}67\)
\(T = 176{,}67 + 273{,}15 = 449{,}82\)
Ergebnis: \(\vartheta_\mathrm{C} \approx 176{,}7\,^\circ\text{C}\), \(T \approx 449{,}8\,\text{K}\)
Antwortsatz: Der Ofen muss auf rund 177 °C vorgeheizt werden; das entspricht etwa 449,8 K. Diese Temperatur liegt im Einstellbereich des Ofens.
Kältekammer im Sportzentrum
AFB II–IIIIn einem Sportzentrum steht eine Kältekammer zur Regeneration. Man betritt zuerst eine Vorkammer mit 10 °C und geht dann in die Hauptkammer mit −110 °C. Ein Aushang für internationale Gäste nennt die Hauptkammer mit „−166 °F“. Ein Durchgang dauert 3 Minuten, die Kabine hat eine Grundfläche von 6 m², und die Kälteanlage nimmt eine Leistung von 20 kW auf. Ein Besucher sagt beim Hinausgehen: „−110 °C — da war ich ja fast am absoluten Nullpunkt.“
- Erläutern Sie, warum der Temperaturunterschied zwischen Vorkammer und Hauptkammer in Kelvin und in Grad Celsius durch dieselbe Zahl angegeben wird.
- Überprüfen Sie die Angabe des Aushangs.
- Beurteilen Sie die Aussage des Besuchers.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ansatz: \(T = \vartheta + 273{,}15\,\text{K}\) für beide Kammern.
Rechnung: \(T_1 = 10 + 273{,}15 = 283{,}15\,\text{K}\), \(T_2 = -110 + 273{,}15 = 163{,}15\,\text{K}\)
\(\Delta T = 283{,}15\,\text{K} - 163{,}15\,\text{K} = 120\,\text{K}\); in Grad Celsius: \(10\,^\circ\text{C} - (-110\,^\circ\text{C}) = 120\,^\circ\text{C}\).
Begründung: Beide Temperaturen werden um denselben Betrag 273,15 verschoben. Beim Subtrahieren hebt sich diese Verschiebung weg, weil sie in beiden Werten steckt.
Antwortsatz: Der Unterschied beträgt 120 K und damit zahlenmäßig auch 120 °C, denn die Skalenschritte sind gleich groß (1 K = 1 °C) und die Verschiebung um 273,15 fällt bei einer Differenz heraus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(\vartheta_\mathrm{F} = \vartheta_\mathrm{C} \cdot 1{,}8 + 32\).
Rechnung: \(\vartheta_\mathrm{F} = (-110) \cdot 1{,}8 + 32 = -198 + 32 = -166\)
Ergebnis: \(\vartheta_\mathrm{F} = -166\,^\circ\text{F}\)
Antwortsatz: Die eigene Rechnung liefert genau −166 °F. Die Angabe des Aushangs ist also richtig; ein Widerspruch liegt nicht vor.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Urteil: Die Aussage ist nicht haltbar.
Kriterium 1 (Abstand zum Nullpunkt): \(T = -110 + 273{,}15 = 163{,}15\,\text{K}\). Bis zum absoluten Nullpunkt bei 0 K fehlen also noch 163,15 K — das ist kein kleiner Rest.
Kriterium 2 (Vergleich mit dem Alltag): Zimmertemperatur sind \(20 + 273{,}15 = 293{,}15\,\text{K}\). Von dort bis zur Kammer sind es 130 K, von der Kammer bis zum Nullpunkt noch einmal 163,15 K. Der größere Teil des Weges liegt also noch vor einem.
Nicht gebraucht werden die Angaben zu Dauer, Grundfläche und Leistung.
Als vollständige Antwort gilt: ein klares Urteil, die Umrechnung auf 163,15 K und ein Vergleich, der zeigt, dass der Abstand zum absoluten Nullpunkt größer ist als der Abstand zur Zimmertemperatur.
