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

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

Die Abbildung zeigt die Energieflüsse eines Stirlingprozesses. 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“.

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.

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.

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) Stirlingprozess Stirlingmotor Demonstration Beschreibung als Kreisprozess, Bedeutung der Temperaturdifferenz maximaler Wirkungsgrad < 1 pV-Diagramme und Energieflüsse Aufnahme pV-Diagramm Wirkungsgrad idealer Stirlingprozess 2. Hauptsatz der Thermodynamik Abweichung vom idealen pV-Diagramm Wärmepumpe und Kältemaschine (Vergleich) Unterrichtsgang Zentrale Begriffe weitere Begriffe Experimente / Phänomene Ideen Zusammenhänge

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

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) Stirlingprozess Stirlingmotor Demonstration Beschreibung als Kreisprozess, Bedeutung der Temperaturdifferenz maximaler Wirkungsgrad < 1 pV-Diagramme und Energieflüsse Aufnahme pV-Diagramm Wirkungsgrad idealer Stirlingprozess 2. Hauptsatz der Thermodynamik Abweichung vom idealen pV-Diagramm Wärmepumpe und Kältemaschine (Vergleich) Unterrichtsgang Zentrale Begriffe weitere Begriffe Experimente / Phänomene Ideen Zusammenhänge