Physik · P7 · Wärmelehre

Schmelzen und Sieden

Eis aus dem Gefrierfach wird mit einer Heizplatte erwärmt. Die Heizplatte gibt in jeder Sekunde gleich viel Energie ab, E = P · t. Trotzdem steigt die Temperatur ϑ nicht gleichmäßig: Es gibt Abschnitte, in denen sie stehen bleibt. Was passiert dort mit der Energie?

So gehst du vor

1Stelle Heizleistung P, Masse m und Anfangstemperatur des Eises ein und wähle den Ort.
2Tippe „Heizen“. Thermometer und Waage werden alle 30 s abgelesen und in die Tabelle eingetragen.
3Beobachte Kurve, Becherglas und Teilchenbild. Bei welchen Temperaturen bleibt die Kurve waagerecht?
4Lies im Diagramm ab, wie lange das Eis schmilzt, und rechne selbst. Erst dann „Auswertung zeigen“.

Thermometer

−20,0 °C

Waage

500 g

Stoppuhr

0:00 min

Das Thermometer zeigt Zehntelgrad, die Waage ganze Gramm (nur der Inhalt, das Becherglas ist abgezogen). Beide streuen etwas. Der Dampf entweicht nach oben. Der Versuch läuft im Zeitraffer.

Heizleistung P

400 W

Masse des Eises m

500 g

Anfangstemperatur ϑ₀

−20 °C

Ort

Luftdruck p

1 013 hPa

Meereshöhe: normaler Luftdruck, etwa 1 013 hPa.

Zeitraffer

Ändert man eine Einstellung, beginnt der Versuch neu. Die Heizplatte schaltet ab, wenn alles Wasser verdampft ist.

Messreihe

Diagramm

t in min	ϑ in °C	m in g
Noch keine Messwerte

Messpunkte werden nicht von Punkt zu Punkt verbunden. Die Auswertung legt durch jedes Stück eine eigene Ausgleichsgerade: steigend, solange nur ein Aggregatzustand vorliegt, waagerecht beim Schmelzen und Sieden.

Siedetemperatur und Luftdruck

Miss zuerst selbst, bei welcher Temperatur das Wasser an den verschiedenen Orten siedet.

Beim Sieden bilden sich im Inneren des Wassers Dampfblasen. Der Dampf in einer Blase muss gegen den Luftdruck drücken, sonst fällt sie sofort wieder in sich zusammen. Je kleiner der Luftdruck, desto früher, also bei desto kleinerer Temperatur, schafft er das.

Aufträge

Heize mit den Starteinstellungen (500 g Eis von −20 °C, 400 W, Meereshöhe). Beschreibe die Kurve Abschnitt für Abschnitt: Welcher Aggregatzustand liegt vor, und was machen die Teilchen?
Lies im Diagramm Beginn und Ende des Schmelzens ab. Berechne mit E = P · Δt, wie viel Energie das Schmelzen braucht, und rechne auf 1 kg um. Wie ändert sich das waagerechte Stück bei 1000 g Eis, wie bei 800 W?
Lies an der Waage ab, wie viel Wasser in 10 Minuten Sieden verdampft. Wie viel Energie braucht man, um 1 kg Wasser zu verdampfen? Vergleiche mit der Energie zum Schmelzen.
Miss die Siedetemperatur auf dem Feldberg, auf der Zugspitze, auf dem Mount Everest und im Schnellkochtopf. Warum werden Nudeln auf dem Mount Everest kaum gar, im Schnellkochtopf aber schneller?

Theorie: Skript Wärmelehre, Kapitel „Aggregatzustände und Phasenübergänge“. Werte: Eis schmelzen 334 kJ je kg, Wasser verdampfen 2257 kJ je kg.