Über dieses Experiment
Lege Eis aus dem Gefrierschrank auf eine Heizplatte und lies jede Minute ein Thermometer ab. Die Temperatur steigt zunächst an und bleibt dann bei 0 °C stehen, während das Eis schmilzt. Danach steigt sie erneut an und bleibt ein zweites Mal stehen, wenn das Wasser siedet. Dieses Labor zeichnet die Heizkurve in Echtzeit auf und zeigt die Teilchen im Inneren. Ändere die Masse, die Heizleistung und die Anfangstemperatur oder verlege das Experiment auf einen Berg, wo Wasser unter 100 °C siedet.
Lernziele
- Beschreibe die Form einer Heizkurve und benenne den Aggregatzustand des Wassers in jedem Abschnitt.
- Erkläre, warum die Temperatur konstant bleibt, während ein Stoff schmilzt oder siedet
- Verwende Q = mcΔT und Q = mL, um die Energie für jede Phase zu berechnen
- Vergleiche die Energie, die zum Schmelzen von Eis benötigt wird, mit der Energie, die zum Sieden von Wasser benötigt wird
- Setze den Siedepunkt in Beziehung zum Luftdruck
Anleitung
- 1Drücke auf „Erhitzen“ und beobachte das Thermometer. Halte bei jedem waagerechten Abschnitt des Graphen an und beschreibe, was sich im Behälter befindet.
- 2Beschreibe anhand der Teilchenansicht, wie sich Anordnung und Bewegung der Teilchen in jedem Zustand verändern.
- 3Vergleiche die Länge der beiden waagerechten Abschnitte. Bei welcher Zustandsänderung wird mehr Energie benötigt? Überprüfe es anhand der Messwerte.
- 4Verdopple die Eismasse. Welche Abschnitte der Kurve werden länger? Verdopple anschließend stattdessen die Heizleistung.
- 5Vergleiche die Steigungen der Abschnitte für Eis, Wasser und Wasserdampf. Welcher Stoff hat die größte spezifische Wärmekapazität?
- 6Erhöhe die Höhe auf den Gipfel des Mount Everest (8849 m). Ermittle den neuen Siedepunkt und erkläre, warum Nudeln dort langsam garen.
Das Modell
Annahmen
- Es geht keine Wärme an die Umgebung verloren, und die gesamte Heizleistung wird an das Wasser abgegeben.
- Der Behälter ist mit einem Kolben verschlossen, sodass der Dampf bei konstantem Druck im Inneren bleibt und weiter erhitzt werden kann. In einem offenen Becherglas entweicht der Dampf, und der letzte Teil der Kurve ist nicht zu sehen.
- Das Wasser wird gerührt, sodass die gesamte Probe dieselbe Temperatur hat. Die spezifischen Wärmekapazitäten und latenten Wärmen werden als konstant angenommen.
- Der Luftdruck nimmt mit der Höhe mit einer Skalenhöhe von 8,4 km ab. Der Schmelzpunkt hängt kaum vom Druck ab und wird bei 0 °C angesetzt.
- Die Teilchenansicht veranschaulicht die Anordnung und die relative Geschwindigkeit der Teilchen und ist keine Molekülsimulation.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Wie viel Energie wird benötigt, um 0,2 kg Eis bei 0 °C zu schmelzen?
- Q2Ein Wasserkocher mit 1500 W enthält 1,2 kg Wasser mit einer Temperatur von 20 °C. Wie lange dauert es, bis das Wasser 100 °C erreicht, wenn keine Wärme verloren geht?
- Q3Warum tut eine Verbrennung durch Dampf bei 100 °C mehr weh als eine Verbrennung durch kochendes Wasser bei 100 °C?
- Q4Warum ist die Linie für flüssiges Wasser weniger steil als die Linie für Eis, obwohl dieselbe Heizquelle verwendet wird?
- Q5In einem realen Experiment verläuft der Abschnitt der Kurve beim Schmelzen oft schräg statt waagerecht. Nenne zwei mögliche Gründe.
Häufig gestellte Fragen
Wohin geht die Energie, wenn sich die Temperatur nicht ändert?
Sie erhöht die potenzielle Energie der Teilchen. Beim Schmelzen und Sieden werden die Teilchen gegen die Anziehungskräfte zwischen ihnen auseinandergezogen. Die Energie wird daher gespeichert, anstatt die Teilchen schneller zu bewegen. Diese gespeicherte Energie wird wieder freigesetzt, wenn Dampf kondensiert oder Wasser gefriert.
Warum dauert das Sieden so viel länger als das Schmelzen?
Beim Schmelzen wird lediglich das Kristallgefüge gelockert; die Teilchen im flüssigen Wasser berühren sich weiterhin. Beim Sieden werden sie vollständig voneinander getrennt. Dafür ist pro Kilogramm fast siebenmal so viel Energie nötig (2260 kJ gegenüber 334 kJ).
Kann ich dieses Experiment im Unterricht durchführen?
Ja, mit zerstoßenem Eis in einem Becherglas, einem Rührstab und einem Thermometer über einem Bunsenbrenner oder auf einer Heizplatte. Lies die Temperatur alle 30 Sekunden ab, bis das Wasser einige Minuten lang gekocht hat. Die Plateaus werden vermutlich weniger deutlich sein als hier, weil das Becherglas Wärme verliert und die Mischung nicht gleichmäßig ist.