Hauptsätze der Thermodynamik Vorschlag zur Behandlung des Kernbaustains

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

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

3. 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

4. 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“.

5. 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.

6. Nicht intendierte Aufgaben • Zwei unterschiedliche ideale Gase haben dieselbe Temperatur. Berechnen Sie den Quotienten aus der mittleren kinetischen Energie der Teilchen. • In einem Gefäß mit V1 = 3 l befindet sich ein Gas bei p1=1960 hPa. In einem zweiten Gefäß mit V2 = 4 l befindet sich Gas derselben Art bei p2=980 hPa. Berechnen Sie den Druck, der sich einstellt, wenn man die Gefäße durch ein Rohr verbindet (T1=T2) • In einem Saal von 5 m Höhe und 200 m2 Grundfläche herrscht bei einem Luftdruck von 998 hPa eine Temperatur von 15°C. Berechnen Sie die Masse der Luft, die entweicht, wenn der Saal auf 25°C aufgeheizt ist. • Berechnen Sie mit Hilfe der Avogadro-Konstante das Volumen, das ein Wassermolekül einnimmt. • Ein Wasserstoffgas hat die Temperatur T=-100°C. Berechnen Sie die mittlere Geschwindigkeit eines H2-Moleküls.

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

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

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