N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 01 - Gegenschatz.net

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 01
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Aufgabe 1:
Bestimme die Wärmekapazität von Wasser. Ist sie immer gleich oder hängt sie von der
Masse des Wassers ab?
Tauchsieder- 20 V / 10 Ω
20 V / 10 Ω
20 V / 10 Ω
leistung (P)
Wassermenge
Wassermasse (m)
Starttemperatur (T A )
(in ° C)
Zeit (t)
(in s)
Endtemperatur (T E )
(in ° C)
Temperaturunterschied
(ΔT) (in ° C)
Wärmekapazität (c)
(in J/kg/K)
40 W
250 ml
0,25 kg
40 W
500 ml
0,5 kg
40 W
1000 ml
1 kg
300 s 300 s 300 s
Für die Wärmekapazität rechnet man die zugeführte Energie (P · t) geteilt durch den
Temperaturunterschied (ΔT) und geteilt durch die Masse der Flüssigkeit (m).
Aufgabe 2:
Bestimme die Wärmekapazität von Wasser. Ist sie immer gleich oder hängt sie von der
Zeitdauer der Erhitzung ab?
Tauchsieder- 20 V / 10 Ω
20 V / 10 Ω
20 V / 10 Ω
leistung (P)
Wassermenge
Wassermasse (m)
Starttemperatur (T A )
(in ° C)
Zeit (t)
(in s)
Endtemperatur (T E )
(in ° C)
Temperaturunterschied
(ΔT) (in ° C)
Wärmekapazität (c)
(in J/kg/K)
40 W
500 ml
0,5 kg
40 W
500 ml
0,5 kg
40 W
500 ml
0,5 kg
120 s 240 s 360 s
Als dritten Test könnte man noch durchführen, ob die Wärmekapazität von der Temperatur
abhängig ist, also sich wärmeres Wasser weniger schnell erwärmt als kaltes.
Unter Testbedingungen ist tatsächlich ein Unterschied festzustellen, da das Wasser von
seiner Umgebung unter Umständen ebenfalls erhitzt oder gekühlt wird und dieses Erhitzen
oder Kühlen von der Oberfläche des Wassers abhängig ist. Das heisst, je grösser die
Wassermenge und je kleiner die Temperaturdifferenz zur umgebenden Luft, desto näher
kommt man die tatsächliche Wärmekapazität des Wassers.
Diese ist übrigens unter idealisierten Bedingungen weder von der Starttemperatur noch
von der Wassermenge noch von der Zeit abhängig, sondern unter jeglichen Bedingungen
konstant.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 01
Die Wärmekapazität ist ebenfalls eine Stoffeigenschaft
und somit bei jeden Stoff leicht anders. Allgemein
kann man sagen, dass die Wärmekapazität bei
Metallen meist sehr gering ist und bei Flüssigkeiten
meist ziemlich hoch (siehe Tabelle).
Der Stoff mit einer der grössten Wärmekapazitäten ist
ganz normales Wasser. Eine nur leicht bessere
Wärmekapazität hat noch das schwere Wasser (4,21
kJ/kg/K). Schweres Wasser ist D 2 O, wobei das D für
Deuterium steht, ein Isotop von Wasserstoff.
(Näheres im Thema 5, AB03, Aufgabe 1).
Auf Grund seiner hohen Kosten wird schweres Wasser
jedoch nur an ausgewählten Orten, insbesondere
in Kernkraftwerken eingesetzt.
Spezifische Wärmekapazitäten
(in kJ / kg / K)
Wasser 4,18
Alkohol 2,42
Àther 2,26
Petrol 2,14
Beton 1.00 – 2.54
Luft 1,005
Glas 0,8
Eisen / Stahl 0,45
Kupfer 0,39
Quecksilber 0,14
Gold 0,13
Blei 0,13
Aufgabe 3:
Warum wird zur Kühlung von Motoren, Maschinen und auch allem anderen vor allem
Wasser eingesetzt? (Drei Gründe)
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Aufgabe 4:
Bei der Kühlung von PC-Prozessoren und Grafikkarten werden meist Kupferplatten
eingesetzt. Warum das? Die Wärmekapazität von Kupfer ist doch extrem klein?
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Um Stoffe zu erwärmen, braucht es Hitze, die irgendwoher
kommen muss. Dazu wird meist ein gut brennender
Stoff verbrannt, in unserer Gesellschaft ist das
meistens Öl. Die Menge an Hitze, die bei der Verbrennung
abgegeben wird, ist ebenfalls stoffabhängig und
damit wiederum eine Stoffeigenschaft.
Mit Abstand den grössten Heizwert hat Wasserstoff,
gefolgt von den Gasen Methan und Propan.
Auch Stoffe, die von unserem Körper für das Aufheizen
beziehungsweise halten der Körpertemperatur
benötigt werden, haben meist einen eher hohen
Heizwert.
Aufgabe 5:
Warum wird statt Wasserstoff zum Heizen meist Heizöl
verwendet? (Drei Gründe)
Heizwerte von Brennstoffen
(in kJ / kg)
Wasserstoff 120 000
Methan 50 500
Propan 46 500
Paraffin (Wachs) 45 000
Benzin 44 000
Diesel 42 500
Petrol 42 000
Heizöl 40 600
Fett 37 000
Steinkohle 33 500
Erdgas 32 000
Koks 29 300
Alkohol 26 800
Zucker, Proteine 17 000
Holz trocken 7000 - 18 000
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 02
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Wasser hat gemäss Tabelle eine Wärmekapazität von 4182 J/kg/K. Auf dem Etikett eines
Süssgetränkts wie Coca Cola steht, der Energiewert (ähnlich Brennwert) sei 180 kJ/100
ml. Wenn ich also einen Liter gekühltes Cola aus dem Kühlschrank (4° C) trinke, dann
nehme ich total 1800 J auf. Um diesen Liter von 4° C auf 37° C Körpertemperatur zu
bringen, brauche ich jedoch 1 · 33 · 4182 = 138‘000 J. Ich nehme beim Trinken von eiskaltem
Cola also ab!
Aufgabe 1:
Was ist falsch an der Rechnung oben?
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Aufgabe 2:
Berechne die fehlenden Werte der Tabelle:
Nr. Wassermenge
Temperaturdifferenz
(m in kg)
(T in ° C oder in K)
a) 1 kg 5° C
Nötige Energie
(E in kJ)
b) 4 kg 11° C
c) 350 g 7° C
d) 4,5 kg 25° C
e) 1 l 62,7 kJ
f) 500 cm 3 83,6 kJ
g) 45° C 125 kJ
h) 24° C 20,1 kJ
Aufgabe 3:
Welche Folgen hat die grosse Wärmekapazität sowohl für die Erwärmung wie auch die
Abkühlung von Wasser? Denke dabei an das Kühlwasser bei Motoren aber auch an das
Heizwasser von Heizungen.
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 02
Aufgabe 4:
a) Welche Energie ist notwendig, um 10 kg Eisen um 500° C zu erwärmen?
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b) Welche Energie ist notwendig, um 100 g Gold zu schmelzen? Dazu muss das Gold
von Raumtemperatur 22° C auf Schmelztemperatur (1064° C) gebracht werden.
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Aufgabe 5:
a) Ein Heizkessel einer Zentralheizung enthält 200 l Wasser von 18° C. Wie viele
Kilogramm Heizöl sind notwendig, um dieses Wasser auf 60° C zu erwärmen, wenn
nur 80 % der Energie wirklich ans Wasser abgegeben wird (Wirkungsgrad 80 %)?
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b) Wie viel kg Alkohol kann ich durch das Verbrennen von 1 kg Steinkohle von 10° C
auf 45° C erhitzen, wenn ein Viertel der Wärmeenergie verloren geht?
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Aufgabe 6:
Jemand möchte in einer kleinen Stahlpfanne 750 cm 3 Wasser zum Sieden bringen.
Pfanne und Wasser haben eine Anfangstemperatur von 18° C. Das Wasser siedet bei 98°
C. Die Pfanne hat eine Masse von 650 g.
a) Welche Wärmeenergie nimmt die Pfanne auf?
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b) Welche Wärmeenergie nimmt das Wasser auf?
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Ich will auf einem Gasherd 2 l Wasser in einer Kupferpfanne (0,8 kg) von 20° C auf 90° C
erwärmen.
c) Welche Wärmeenergiemenge ist notwendig, wenn gar keine Wärme verloren geht?
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d) Wie viel Liter Erdgas braucht es dazu ( Erdgas = 0,77 g/dm 3 )?
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In einer Warmwasserheizung fliessen stündlich 70 l Wasser durch einen Heizkörper. Das
Wasser kühlt sich dabei von 75° C auf 55° C ab.
e) Welche Wärmeenergie wird in einer Stunde an die Luft im Zimmer abgegeben?
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f) Wie viele kg Heizöl sind bei einem Wirkungsgrad von 80% notwendig, wenn 14 solcher
Heizkörper vom Wasser durchflossen werden?
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 03
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Aufgabe 1:
Entzünde eine Kerze. Halte die Hand in einem festen Abstand darüber und stoppe die
Zeit, bis du es nicht mehr aushältst. Das ist kein Wettbewerb!
Nr. Höhe der Hand über der Kerze: Dauer, bis es zu heiss wird:
a) 24 cm Sekunden
b) 18 cm Sekunden
c) 12 cm Sekunden
d) 6 cm Sekunden
e) Handelt es sich hier um eine lineare Funktion?
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Aufgabe 2:
a) Schneide aus einem Blatt kartoniertem Papier eine Spirale aus und hänge sie am
inneren Ende genug hoch über einer brennenden Kerze auf, so dass die Spirale
nicht in Brand geraten kann. Beschreibe:
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b) Die Lehrperson hat ein metallisches Mobile, das sich bewegt, wenn die vier Kerzen
darin angezündet werden. Beschreibe und erkläre, warum sich dieses Mobile
bewegt, wenn die Kerzen brennen.
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Aufgabe 3:
a) Umwickle einen Thermometer mit einem schwarzen Tuch und den einen weiteren mit
einem weissen Tuch und lege sie in die Sonne (unter die Wärmelampe). Beschreibe
die Temperaturentwicklung:
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b) Stelle zwei Gefässe mit Wasser in die Sonne, wobei das eine Wasser möglichst
dunkel gefärbt werden soll (z. B. mit Kohlenstaub). Miss in beiden Gefässen die
Temperaturentwicklung und beschreibe sie:
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 03
Aufgabe 4:
Setze eine Wärmelampe in Betrieb und halte deine Hand in rund 1 m Entfernung.
a) Was stellst du fest?
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b) Halte einen Karton zwischen die Lampe und deine Hand. Beschreibe:
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c) Halte eine Glasscheibe zwischen die Lampe und deine Hand. Beschreibe:
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d) Halte eine grosse Linse (zum Beispiel die Fresnellinse des Hellraumprojektors) dazwischen.
Beschreibe:
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e) Lenke die Wärmestrahlung mit Hilfe eines Spiegels um eine Ecke und halte deine
Hand hinter der Ecke, wo sie über den Spiegel bestrahlt wird. Beschreibe:
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Aufgabe 5:
Ergänze die Strömungsbilder:
Festkörper Flüssigkeiten Gase
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 04
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Aufgabe 1:
Wo steht sinnvollerweise der Heizkörper? Unter dem Fenster oder nicht?
Beantworte die Frage mittels Strömungsbild.
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Wie im R&Z-Thema Industrialisierung gelernt, hat die Dampfmaschine von James Watt
die Industrialisierung entscheidend mitbestimmt, je nach Quelle sogar ausgelöst. Die
wichtigste Entwicklung von Watt war dabei nicht die Nutzung des Dampfes als Energiequelle,
diese kannte man schon lange vorher, sondern die Möglichkeit, die Energie des
Dampfes in eine gut nutzbare Form zu bringen. Diese Form ist die kinetische Energie der
Drehbewegung des Rades. So konnten dann später auch Lokomotiven und Schiffe mit
Dampf betrieben werden.
Ein grosser Nachteil der Dampfmaschine zeigt sich gleich zu Beginn, wenn man sie in
Betrieb setzen möchte. Wegen der sehr hohen Wärmekapazität dauert es sehr lange, bis
das Wasser überhaupt die Betriebstemperatur erreicht hat. Auch wenn moderne Dampfmaschinen
meist nicht mehr mit Kohle, sondern mit Öl befeuert werden, so dauert es
dennoch meist über eine Stunde, bis die Temperatur und damit der Wasserdruck hoch
genug ist. Ist der Druck dann schliesslich vorhanden, kann die Maschine gestartet werden.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 04
Aufgabe 2:
Beschreibe die Funktionsweise bzw. den Ablauf bei einer Dampfmaschine: (Nutze dabei
die Bilder und die Modelle)
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Lange Zeit verhinderte James Watt über Patente die Verbesserung seiner Dampfmaschine,
die lediglich einen Wirkungsgrad von 3 % hatte. Schon ein Zeitgenosse Watts erkannte,
dass man den heissen Dampf nach einem Durchgang
durch den Kolben nicht einfach entweichen lassen durfte,
sondern in einen zweiten Kolben leiten könnte. Danach durch
einen dritten und so weiter, bis sich das Wasser soweit abgekühlt
hatte, dass es wirklich nicht mehr nutzbar war. Das Bild
rechts zeigt eine solche Dampfmaschine, die 1990 entwickelt
wurde. Der Wirkungsgrad liegt dabei bei rund 37 %, eine
weitere Verbesserung ist dabei immer noch möglich.
Eine Alternative zur Dampfmaschine ist die Dampfturbine. Dabei bringt der heisse Dampf
über die Schaufeln der Turbine direkt eine Drehbewegung. Auch hier konnten die ersten
Versuche der Dampfturbinen in den 1880er Jahren mit mehrfachem hintereinanderschalten
von Turbinenrädern im Wirkungsgrad deutlich verbessert werden. Allgemein ist der
Wirkungsgrad von Turbinen höher, da im Idealfall nie heisser Wasserdampf die Anlage
verlässt. Der Weltrekord im Wirkungsgrad einer Dampfturbine liegt bei 48,5 %.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 05
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Während früher Dampfturbinen nahezu überall eingesetzt wurden, sind sie heute fast
ausschliesslich in Stromkraftwerken in Gebrauch. Das Bild links zeigt die ausgemusterte
Dampfturbine eines deutschen Kernkraftwerks.
Eine Dampfturbine hält momentan auch den Leistungsrekord mit 1‘600‘000 kW. Dabei
herrschen auf den Flügeln der Turbine Kräfte von bis zu 4 MN, was dem Gewicht eines
Airbus A380 entspricht.
Auch alle schweizer Kern- und Abfallkraftwerke funktionieren mit Dampfturbinen:
Aufgabe 1:
a) Woher kommt die Wärme in Kernkraftwerken?
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b) Erkläre, weshalb die Kernkraftwerke mehrere Kreisläufe haben, warum zum Beispiel
das Wasser aus dem Primärkreislauf das Wasser des Sekundärkreislaufes erhitzt
und das Wasser des Sekundärkreislaufs dann von Wasser eines dritten Kreislaufes
gekühlt wird?
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c) Warum werden Kernkraftwerke immer an grossen Gewässern gebaut?
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 05
Aufgabe 2:
Beschreibe den Versuch zu einer Dampfturbine:
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Schon im 19. Jahrhundert wurde erkannt, dass es eine Möglichkeit geben sollte, mit der
das Problem des Wassers umgangen werden kann. Sowohl die Dampfmaschine wie auch
die Dampfturbine haben das Problem, dass sie erst zu laufen beginnen, wenn das Wasser
die Betriebstemperatur erreicht hat. Zudem ist das Wasser auch nicht gerade leicht. Fieberhaft
wurde deshalb nach einer Lösung gesucht, mit der die Hitze der Verbrennung
direkt in kinetische Drehbewegung umgewandelt werden konnte.
Der erfolgreichste dabei war der deutsche Nicolaus August Otto (1832 – 1891). Nach
ihm sind die Verbrennungskraftmaschinen (Ottomotoren) benannt, wie sie heute in fast
allen benzingetriebenen Fahrzeugen vorhanden sind.
Aufgabe 3:
a) Zünde den Brennstoff Petrol (benzinähnlich) an. Beschreibe:
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b) Zünde Alkohol an. Beschreibe:
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c) Zünde in der Luft verteilten (zum Beispiel in einer Röhre) Alkohol an. Beschreibe:
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Aufgabe 4:
Beschreibe den Ablauf im Zweitakt-Ottomotor:
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 06
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Aufgabe 1:
Beschreibe den Ablauf im Viertakt-Ottomotor:
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Aufgabe 2:
Sowohl der Zweitakt- wie auch der Viertaktmotor haben jeweils Vor- und Nachteile. Zähle
einige auf:
Zweitaktmotor
Viertaktmotor
Nachteile
Vorteile
Der Ottomotor wurde seit seiner Patentierung um 1876 mehrfach verbessert. Statt einem
Benzin-Luft-Gemisch wird heute oft nur noch Luft angesaugt und das Benzin direkt eingespritzt.
Über die Elektronik kann der Zeitpunkt des Zündkerzenfunkens nun viel besser
koordiniert werden, was den Wirkungsgrad des Motors erhöht.
Über die Drehzahl der Motoren und den Hubraum der Kolben konnte ebenfalls eine höhere
Leistung pro Benzinmenge erreicht werden. Ebenfalls verbessert wurde der Reibungswiderstand
des Motors selbst.
Als Hubraum gilt das verdrängte Volumen aller Zylinder zwischen dem jeweils tiefsten und
höchsten Punkt aller Takte. Üblich sind heute Hubräume zwischen 1 und 3 Litern.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 06
Um 1893 wurde von Rudolf Diesel (1858 – 1913) der nach ihm benannte Dieselmotor
erfunden. Der Unterschied zum Ottomotor ist dabei rein mechanisch nur sehr gering. Auch
den Dieselmotor gibt es als Vier- beziehungsweise Zweitakter und der Ablauf der Takte ist
genau derselbe. Der grosse Unterschied besteht darin, dass Dieselmotoren keine Zündkerze
haben und der Diesel eingespritzt wird. Zudem wird das Diesel-Luft-Gemisch im
Kolben viel stärker komprimiert, so dass es darin zur Selbstentzündung kommt.
Aufgabe 3:
Sowohl der Otto- wie auch der Dieselmotor haben Vor- und Nachteile. Zähle einige auf:
Ottomotor
Dieselmotor
Nachteile
Vorteile
Aufgabe 4:
a) Wo werden vor allem 2-Takt-Ottomotoren eingesetzt (leicht, viel sportliche Leistung,
tiefer Wirkungsgrad mit viel Abgasen):
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b) Wo werden vor allem 4-Takt-Ottomotoren eingesetzt (mittelschwer, sportliche Leistung,
eher tiefer Wirkungsgrad):
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c) Wo werden vor allem 4-Takt-Dieselmotoren eingesetzt (schwer, langsame Leistung,
hoher Wirkungsgrad):
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d) Wo werden vor allem 2-Takt-Dieselmotoren eingesetzt (schwer, viel langsame Leistung,
sehr hoher Wirkungsgrad):
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 07
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Im Gegensatz zu den bekannten Otto- und Dieselmotoren gibt es auch noch Motoren, die
sich nie richtig durchsetzen konnten.
Ein erstes Beispiel davon ist der von Robert Stirling (1790 – 1878) entwickelte Stirlingmotor
von 1816. Ein grosser Nachteil dieses zweitältesten Motors ist der geringe Wirkungsgrad
von meist nur rund 10 % und eine beschränkte Leistung. Der grosse Vorteil
dieses Motors ist die Flexibilität des Brennstoffes. Kleine Stirlingmotoren können sogar
durch die Handwärme betrieben werden oder auch durch die Sonneneinstrahlung.
Wirkungsprinzip: In einer Kammer wird die Flüssigkeit oder das Gas im Innern des Motors erhitzt. 1. Takt:
Durch die Erwärmung dehnt sich der Inhalt aus und drückt den Kolben oben nach links. 2. Takt: Über die
Verbindung der beiden Kammern kommt der Inhalt auch in die andere Kammer und füllt diese ebenfalls. Der
zweite Kolben geht nach oben, durch die Ausdehnung beginnt bereits die Kühlung des Inhalts. 3. Takt: Die
untere Kammer wird gekühlt. Der Inhalt zieht sich weiter zusammen. Auf Grund der Trägheit des Inhalts geht
der obere Kolben zuerst zurück. 4. Takt: Durch die weitere Abkühlung wird auch der zweite Kolben wieder
nach unten gezogen. Diese Verdichtung erhitzt den Inhalt bereits wieder.
Ein weiteres Beispiel eines speziellen Motors ist der von Felix Wankel (1902 – 1988) erfundene
Wankelmotor. Sein grössten Vorteil hat dieser Motor, dass er direkt eine Drehbewegung
und nicht eine Kolbenbewegung erzeugt wie die beiden anderen bekannten
Motoren. Zudem kann er mit ganz verschiedenen explosionsfähigen Stoffen betrieben
werden und kann einfach hergestellt werden. Sein Wirkungsgrad ist jedoch deutlich tiefer
als bei den beiden anderen Motoren, zudem ist er unterhaltsintensiv.
Wirkungsprinzip: Das Wirkungsprinzip ist mit dem 4-Takt-Motor identisch, lediglich die Anordnung ist nicht
gleich: 1. Takt: Das Benzin-Luft-Gemisch wird angesogen. 2. Takt: Das Benzin-Luftgemisch wird verdichtet.
3. Takt: Das Gemisch wird zur Explosion gebracht und damit wird die Wankelscheibe in Bewegung gebracht.
4. Takt: Die Abgase werden nach draussen gebracht.
Wankelmotoren wurden als Nischentechnologie
an praktisch allen Orten versuchsweise
verwendet. Es gibt Autos, Motorräder, Lastwagen,
Schiffe und sogar Flugzeuge, die
von einem Wankelmotor angetrieben werden.
Als einzige Automarke hat Mazda Wankelmotoren
im Sortiment und war mit einem
solchen Motor 1991 auch in einem 24-Stunden-Rennen
erfolgreich (rechts).

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 07
Der dritte und letzte Motor, der eine Erwähnung verdient ist der Stelzermotor, benannt
nach seinem Erfinder Frank Stelzer (1934 – 2007).
Er handelt sich dabei um einen Motor, der
von einem hin- und herschwingenden Kolben
angetrieben wird und praktisch vom
Wirkungsprinzip mit einem doppelten
Zweitakt-Ottomotor zu vergleichen ist.
Im Gegensatz zu den beiden anderen
genannten wird am Stelzermotor aktuell
nicht mehr geforscht, obwohl die Patentrechte
abgelaufen sind und aus diesem
Grund wird er in Zukunft auch kaum Anwendung finden.
Aufgabe 1:
Welche grossen Vorteile soll gemäss dem Erfinder im Film sein Motor gegenüber den
anderen Motoren haben?
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Während bei diesen Alternativmotoren immer klar ist, woher die Energie für den Kolben
kommt, damit er nach oben bzw. nach unten geht, ist das beim 4-Takt-Otto- beziehungsweise
–Dieselmotor nicht ganz klar. Warum soll der Kolben ohne zusätzliche Kraft immer
zweimal nach oben und dazwischen nach unten gehen. Der Trick liegt hier in einer grösseren
Anzahl von Kolben.
Der rechts vereinfacht dargestellte
Ottomotor hat vier Kolben,
die jeweils immer gerade
in einem anderen Takt sind.
Damit ist gewährleistet, dass
immer von irgendwoher die
Energie für die weitere Drehung
der Achse kommt.
Je höher die Anzahl der Zylinder,
desto ruhiger läuft der
Motor und desto konstanter
ist die Kraft, desto höher ist
aber auch der Spritverbrauch.
Kurbelwelle
Aus diesem Grund werden neu auch wieder Fahrzeuge mit nur 3 Zylindern hergestellt, die
so besonders sparsam sein sollen. Auf der anderen Seite haben die aktuellen, starken
Sportwagen meist 12 Zylinder in zwei Reihen, um besonders laufruhig zu sein und
dennoch jederzeit volle Kraftentfaltung bieten zu können.
Das Ankurbeln, wie es früher bei Autos üblich war, übernimmt in allen modernen Autos die
Elektrik. Darum haben Autos nach 1920 eigentlich keine Kurbel mehr. Übrigens dreht die
Kurbelwelle nur in eine Richtung, obwohl die andere theoretisch auch möglich ist. Für die
Rückwärtsbewegung ist eine Übersetzung zuständig und nicht eine andere Dreh-Richtung.
Diese ist nur beim Elektromotor noch gebräuchlich.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 08
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Aufgabe 1:
Betätige eine Velopumpe mehrfach. Was stellst du fest, wenn du nachher die Pumpe unten
berührst?
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Aufgabe 2:
a) Richte eine Spraydose, zum Beispiel ein Deodorant, gegen deine Hand. Was merkst
du betreffend der Temperatur?
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b) Tropfe etwas Alkohol, Aceton oder Aether auf deine Hand, was stellst du fest?
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Die beiden Versuche zeigen (teilweise):
- Wird ein Gas zusammengepresst, erwärmt es sich.
- Dehnt sich ein Gas aus, kühlt es sich ab.
- Kondensiert ein Gas, erwärmt es sich.
- Verdunstet eine Flüssigkeit, kühlt sie sich ab.
Diese physikalischen Eigenschaften macht man sich in verschiedenen Geräten und auch
im Alltag zu Nutze:
Kühlsprays, die vor allem im Sport bei Verletzungen gebraucht werden, befinden sich
meist unter sehr hohem Druck. Kommt die Flüssigkeit nach draussen, kann sie sich
schlagartig ausdehnen und kühlt damit auch sehr schnell ab. Zudem sind die Kühlflüssigkeiten
dann auch so, dass sie auf der Haut verdunsten, was gerade noch einmal kühlt.
In Ausnahmefällen findet auch noch eine endotherme chemische Reaktion statt, welche
zudem kühlt.
Das Gegenteil wird zum Beispiel beim Dieselmotor eingesetzt.
Durch die Kompression des Mischgases erwärmt sich dieses so
stark, dass es zu einer spontanen Reaktion kommt.
Das Prinzip, das sich komprimierte Flüssigkeiten beim Ausdehnen
und Verdampfen abkühlen und somit der Umgebung Wärme entziehen,
findet schon lange Verwendung. Richtig in den Alltag
kommt es aber erst seit den 1920er (Amerika) und 1930er Jahren
(Europa), als Kühlschränke in grossen Mengen produziert werden
konnten und zudem weder das giftige Ammoniak oder Methylchlorid
noch irgendwelche Schwefelverbindungen enthielten. Die
Stoffe der Stunde waren damals die Fluorchlorkohlenwasserstoffe
(FCKW). Erst in den 90er-Jahren stellte man fest, dass diese
einen schädlichen Einfluss auf die Ozonschicht haben. Seither ist
die Produktion solcher Kühlschränke verboten. In heutigen Kühlschränken
kommen vor allem Gemische mit Propan und Butan
vor. Sie sind weder hochgiftig noch klimagefährlich, dafür sind
diese leicht brennbar, im Vergleich zu den anderen beiden das
kleinste Übel. Das Prinzip ist aber über alle Jahre das Gleiche
geblieben, egal mit welchem Stoff der Kühlschrank nun betrieben
wird.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 08
Ein Kühlschrank funktioniert in der Hauptsache mit einem Gas, das sich verflüssigen lässt
und einem Kompressor.
1. Schritt: Im Kompressor wird das Gas (heute in den allermeisten
Fällen Isobutan bzw. Methylpropan) so stark komprimiert,
dass es auf Grund des Druckes auch manchmal kondensiert.
Dadurch erhitzt sich dieser Stoff sehr stark.
2. Schritt: Die Flüssigkeit (das Gas) wird in den Kondensor /
Verflüssiger geleitet. Dieser befindet sich ausserhalb des Kühlschranks,
häufig auf der Rückseite des Gerätes. Durch vorbeiströmende Luft wird die heisse
Flüssigkeit (das Gas) gekühlt, so dass sie am Ende eine Temperatur nahe an der
Raumtemperatur haben sollte und zudem kondensiert, wenn es noch nicht ist. Aus diesem
Grund sollten die Lüftungsschlitze bei eingebauten Kühlschränken (oben und unten) nicht
blockiert werden, da der Kühlschrank sonst überhitzen kann.
3. Schritt: Durch die Drossel kommt eine kontrolliert kleine Menge des Kühlmittels in den
Kühlschrank. Die Drossel sorgt auch dafür, dass Überdruck beibehalten wird. Am Ende
der Drossel findet eine explosionsartige Ausdehnung statt. Damit kühlt sich der Stoff
extrem ab.
4. Schritt: Im Verdampfer ist die Temperatur über dem Siedepunkt bei Normaldruck, bei
Methylpropan -11,3° C, so dass neben der Ausdehnung auch noch gleichzeitig ein Verdunsten
stattfindet. Die benötigte Wärmeenergie wird ebenfalls dem Inneren des
Kühlschranks entzogen.
Da Wärme steigt, auch wenn sie kalt ist, ist beim Kühlschrank die wärmste Stelle jeweils
oben und die kälteste unten, obwohl der Verdampfer bei vielen Kühlschränken oben angebracht
ist. Beim Einräumen des Kühlschranks sollte deshalb darauf geachtet werden, dass
die Ware, die am leichtesten verdirbt, ganz unten gelagert wird, während diejenigen Dinge,
die auch noch bei leicht höheren Temperaturen frisch bleiben, oben eingeräumt werden.
Moderne Kühlschränke müssen einerseits sehr gut isoliert sein, damit die kühle Luft nicht
gleich wieder nach draussen gelangt, andererseits muss der Kompressor sehr energieeffizient
arbeiten. Als Nutzer des Kühlschranks kann man vor allem darauf achten, die
Türe möglichst nur kurz offen zu halten.

N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 09
Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________
Aufgabe 1:
Das Bild rechts zeigt den Energiefluss im Kühlschrank.
Überlege dir, wie man den Wirkungsgrad
eines Kühlschranks berechnen kann:
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Aufgabe 2:
In der Küche ist es heiss. „Mach doch den Kühlschrank
auf“, schlägt jemand vor. Was hältst du
davon?
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Aufgabe 3:
Was hat eine Klimaanlage mit einem Kühlschrank zu tun?
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N & T 13 Kalorik (Wärmelehre) 09
Das Prinzip des Kompressors lässt sich auch noch auf andere Weise anwenden. In einem
Haus drinnen möchte man es zum Beispiel warm haben, draussen darf es hingegen ruhig
kühl sein. Also kann man den Kühlschrank auch so bauen, dass der Verdampfer draussen
vor dem Haus ist und der Verflüssiger / Kondensor im Haus drinnen als Heizkörper. In so
einem Fall redet man von einer Wärmepumpe. Diese werden häufig in der Industrie eingesetzt,
wo der Verdampfer auch gleich zum Kühlen einer Maschine gebraucht wird.
Zum Heizen eines Hauses werden sie ebenfalls eingesetzt, doch hier ergibt sich ein Problem:
Der Verdampfer sollte an einem Ort sein, wo er der Umgebung die Wärme entziehen
kann. Gerade bei der Heizung ist der Verdampfer jedoch draussen und gerade im Winter,
wenn man am meisten heizt, ist es draussen am kühlsten und die Wärmepumpe hat deshalb
gerade dann die schlechteste Leistungserwartung.
Eine Lösung dieses Problems
geschieht mit einer
Erdsonde. Im Gegensatz
zur Luft hat das Grundwasser
im Boden nur minimale
Temperaturschwankungen
im Verlauf eines Jahres. In
zehn Metern Tiefe kann man
davon ausgehen, dass die
Temperatur konstant übers
ganze Jahr bei rund 10° C
ist. Pro zusätzliche dreissig
Meter steigt die Temperatur
um ein weiteres Grad.
Üblich in der Schweiz für
Erdsonden sind Tiefen von
80 bis 300 m, abhängig vom
jeweiligen Untergrund. Wärmepumpen
für ganze Quartiere
wie zum Beispiel in
Basel gehen aber deutlich
tiefer (Ziel: 5 km). Die Erdwärmetiefensonde
in Prenzlau
(2790 m) hat unten im
Gestein eine konstante
Temperatur von 108° C. Sie kommt mit Wärmepumpe auf eine Wärmeleistung von 520
kW, was rund 200 durchschnittlich isolierten Einfamilienhäusern entspricht.
Bei einer guten Wärmepumpe kommen etwa zwei Drittel der Wärme aus dem Boden und
ein Drittel wird von der Wärmepumpe / Kompressor produziert. Je nach Typ der
Wärmepumpe wird mit Wasser, Luft oder beiden zusammen (Wasser/Luft) gearbeitet.
Aufgabe 4:
a) Welche Temperatur hat das Gestein in 80 m Tiefe ungefähr?
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b) Welche Temperatur hat das Gestein in 300 m Tiefe etwa?
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c) Welche Temperatur hat man in Basel in 5000 m Tiefe zu erwarten?
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