Hauptstze der Thermodynamik Vorschlag zur Behandlung des Kernbaustains

Hauptsätze der Thermodynamik Vorschlag zur Behandlung des Kernbaustains Sabine Gaudig Erik Einhaus Horst Schecker Institut für Didaktik der Naturwissenschaften Abt. Physikdidaktik

Hauptsätze der Thermodynamik § Sachinhalte • Stirlingprozess • Zustandsänderungen idealer Gase (isotherm, isochor) • Wärmepumpe • Gedankenexperiment zum idealen Wirkungsgrad • Erster und Zweiter Hauptsatz E. Einhaus, H. Schecker

Hauptsätze der Thermodynamik § Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler. . . • stellen den Kreisprozess eines idealen Heißluftmotors in einem p-V-Diagramm dar. • berechnen den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine • begründen, warum der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine nicht größer sein kann als 1 -Tk/Th • beschreiben das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe anhand eines Energieflussdiagramms • bewerten die Hauptsätze der Thermodynamik im Hinblick auf Aspekte der Energieversorgung und Energieentwertung E. Einhaus, H. Schecker

Aufgabenbeispiele § Die Abbildung zeigt die Energieflüsse eines Stirlingprozesses. • Geben Sie den Wirkungsgrad an und erläutern Sie ihre Vorgehensweise. • Berechnen Sie die Temperatur des kalten Reservoirs. • Stellen Sie den Prozess in einem V-p-Diagramm dar. • Erläutern Sie, auf welche Weise man den Wirkungsgrad erhöhen könnte. § Nehmen Sie zu der folgenden Aussage Stellung: „Wenn man einen Stirling-Motor nur genügend isoliert, kann man verhindern, dass ein Teil der Energie unerwünscht in Form von Wärme abgegeben wird“. E. Einhaus, H. Schecker

Aufgabenbeispiele § Die Abbildung zeigt die Aufnahme des V-p-Diagramms eines Stirlingmotors mit Cassy. • Erläutern Sie, wie man dieser Aufnahme die Arbeit, die der Motor während eines Durchlaufs leistet, entnehmen kann und schätzen Sie diese Arbeit ab. • Erläutern Sie, wie sich diesem Diagramm die vier Phasen des Stirlingprozesses wiederfinden. • Skizzieren Sie in diesem V-p-Diagramm den entsprechenden idealisierten Prozess. E. Einhaus, H. Schecker

Nicht intendierte Aufgaben 1. Zwei unterschiedliche ideale Gase haben dieselbe Temperatur. Berechnen Sie den Quotienten aus der mittleren kinetischen Energie der Teilchen. 2. In einem Gefäß mit V 1 = 3 l befindet sich ein Gas bei p 1=1960 h. Pa. In einem zweiten Gefäß mit V 2 = 4 l befindet sich Gas derselben Art bei p 2=980 h. Pa. Berechnen Sie den Druck, der sich einstellt, wenn man die Gefäße durch ein Rohr verbindet (T 1=T 2) 3. In einem Saal von 5 m Höhe und 200 m 2 Grundfläche herrscht bei einem Luftdruck von 998 h. Pa eine Temperatur von 15°C. Berechnen Sie die Masse der Luft, die entweicht, wenn der Saal auf 25°C aufgeheizt ist. 4. Berechnen Sie mit Hilfe der Avogadro-Konstante das Volumen, das ein Wassermolekül einnimmt. 5. Ein Wasserstoffgas hat die Temperatur T=-100°C. Berechnen Sie die mittlere Geschwindigkeit eines H 2 -Moleküls. E. Einhaus, H. Schecker

Wie kann man das umsetzen? Energiebegriff und 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energieflussdiagramme Stirlingprozess Beschreibung als Kreisprozess, Bedeutung der Temperaturdifferenz Aufnahme p. VDiagramm Phänomen Stirlingmotor Motivation: Gas als Arbeitsmedium Stirlingmotor Demonstration maximaler Wirkungsgrad < 1 Wirkungsgrad idealer Stirlingprozess Abweichung vom idealen p. V-Diagramm Zentrale Begriffe weitere Begriffe Zustandsgrößen p, V, T Experiment zu Boyle-Mariotte Zustandsänderungen von Gasen (isotherm und isochor) p. V-Diagramme und Energieflüsse 2. Hauptsatz der Thermodynamik Wärmepumpe und Kältemaschine (Vergleich) Experimente / Phänomene Unterrichtsgang E. Einhaus, H. Schecker Ideen Zusammenhänge

Vorschlag aus dem Bildungsplan Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit p. V-Diagramm Dampfmaschine Stirlingmotor (Phänomen) Zustandsgrößen p, V, T Arbeitsmedium gasförmig Stirlingprozess Stirlingmotor (Video, Animation) Kreisprozess, Temperaturdifferenz Wirkungsgrad idealer Stirlingprozess 2. Hauptsatz als Erfahrungswert idealer (maximaler) Wirkungsgrad Zentrale Begriffe weitere Begriffe Experimente / Phänomene (Experimente zu Gasgesetzen) Zustandsänderungen von Gasen (vor allem isotherm und isochor) Wärmepumpe Gedankenexperiment zum max. Wirkungsgrad andere Formulierung 2. Hauptsatz Unterrichtsgang E. Einhaus, H. Schecker Ideen Zusammenhänge

Abweichungen vom Vorschlag Energiebegriff und 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energieflussdiagramme Stirlingprozess Beschreibung als Kreisprozess, Bedeutung der Temperaturdifferenz Aufnahme p. VDiagramm Phänomen Stirlingmotor Motivation: Gas als Arbeitsmedium Stirlingmotor Demonstration maximaler Wirkungsgrad < 1 Wirkungsgrad idealer Stirlingprozess Abweichung vom idealen p. V-Diagramm Zentrale Begriffe weitere Begriffe Zustandsgrößen p, V, T Experiment zu Boyle-Mariotte Zustandsänderungen von Gasen (isotherm und isochor) p. V-Diagramme und Energieflüsse 2. Hauptsatz der Thermodynamik Wärmepumpe und Kältemaschine (Vergleich) Experimente / Phänomene Unterrichtsgang E. Einhaus, H. Schecker Ideen Zusammenhänge