118 Lösungen Kapitel 21 Robust und beliebt sind Bimetall-Thermometer (a), die auf der unterschiedlichen Ausdehnung zweier Metalle beruhen (siehe dazu auch B 21.24, S. 11). Immer häufiger werden auch elektronische Thermometer eingesetzt, etwa bei der Fiebermessung (b). Vereinfacht gesagt wird bei diesen durch die Wärme ein kleiner Stromfluss erzeugt, der dann in eine Temperatur „übersetzt“ wird. Mit Strahlungsthermometern (c) bestimmt man die Temperatur berührungslos auf Grund der Wärmestrahlung (Kap. 22.3, S. 24). Zum Anvisieren verfügen sie über einen Laserstrahl. Es wird Hebeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt und schließlich in Wärmeenergie. Die Hebeenergie hängt von Masse und Höhe ab. Für die Energien (S. 18) gilt daher: a < b < c. Deshalb wird das Plastilin im letzten Fall am stärksten platt gemacht (B 21.7, S. 8). Knautschzonen bei Autos und Helmen nutzen Materialverformung, um bei einem Aufprall die Energie zu absorbieren und die Aufprallkraft zu verringern. Dies schützt die Insassen oder die Träger, indem die Energie über eine längere Zeit verteilt wird. Ähnliche Prinzipien werden auch in Sicherheitsbarrieren und bei Schutzvorrichtungen für Fußgänger angewendet, um Verletzungen im Straßenverkehr zu reduzieren. Auch hier wird Hebeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Energie, die zunächst in der kleinen Kugel gespeichert ist, zerbricht letztlich die Schale. Eine Sollbruchstelle ist eine Stelle, die absichtlich brechen soll. Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Wenn sich die Luft im Inneren der Flasche abkühlt, zieht sie sich zusammen und saugt den Ballon ins Flascheninnere (B 32.1). Wenn du es umgekehrt machst (zuerst kaltes und dann warmes Wasser), kannst du den Luftballon mit dieser Methode etwas aufblasen. B 32.1 Der Ballon wird in die Flasche hineingesaugt. Das Wissen über die Ausdehnung von Metall ist für Metallbauerinnen- und bauer und Ingenieurinnen und Ingenieure wichtig, weil es ihnen hilft, Materialien richtig zu verwenden. Wenn Metall erhitzt wird, dehnt es sich aus, und wenn es abkühlt, zieht es sich zusammen. Das muss man bei Bauprojekten wie Brücken oder Maschinen beachten, damit es nicht zu Beschädigungen oder Verformungen kommt. So können sie sicherstellen, dass alle Teile gut zusammenpassen und sicher sind. In so genannten Pop-Down-Toastern wird das Brot von oben hineingeschoben (a) und – bei richtiger Einstellung – ausgeworfen, wenn es fertig ist. Beim Erwärmen biegt sich der Bimetallstreifen rechts und drückt schließlich den Sperrhaken aus der Halterung (b). Schmelz- und Siedepunkt schwanken mit dem Luftdruck. Am Großglockner (3798 m) kocht Wasser bei Normaldruck bereits bei knapp 88 °C (siehe T 25.2, S. 48)! Auch der Schmelzpunkt verändert sich ein wenig mit dem Druck. Beim Eichen eines Thermometers muss also der Luftdruck berücksichtigt werden. Die Körpertemperatur eines Menschen hängt von vielen Faktoren ab, etwa von Außentemperatur, Bewegung, Ernährung und Alter. Außerdem hängt sie vom Ort der Messung ab (z.B. Achsel, Mund oder Ohr) und sogar von der Tageszeit, wie du in B 20.50 (S. 19) sehen kannst. Die Körpertemperatur eignet sich nicht gut als „Fixpunkt“. Die Messgenauigkeit des Thermometers beträgt +/– 0,2 °C. Wenn die Anzeige 38,1 °C zeigt, dann kann man davon ausgehen, A 16 A 26 A 27 A 29 A 30 A 32 A 33 A 34 A 35 dass die tatsächliche Temperatur irgendwo zwischen 37,9 °C und 38,3 °C liegt. Bei Stabfieberthermometer, die man sich unter die Achsel klemmt, liegt die Ungenauigkeit nur bei +/–0,1 °C. Berührungslose Thermometer sind im Alltag nützlich, weil sie schnell und hygienisch messen. Sie können jedoch ungenaue Werte zeigen, wenn sie falsch angewendet werden oder die Umgebungstemperatur schwankt. Für genaue Messungen sind andere Thermometer wie Ohr- oder Stirnthermometer oft besser. Seine eigene! Das Flüssigkeitsthermometer zeigt immer die Temperatur an, die es selbst hat. Deshalb muss man immer ein bisschen warten, bis das Thermometer Umgebungstemperatur hat und darf erst dann ablesen, etwa wie bei der Fiebermessung. mögliche Fragestellung und geeigneter Versuch: Fragestellung: Welches Thermometer misst die Temperatur am genauesten: ein digitales Thermometer, ein Fieberthermometer oder ein berührungsloses Thermometer? Hypothese: Das digitale Thermometer misst am genauesten. Versuchsplanung: Für den Versuch werden drei Thermometer benötigt: ein digitales Thermometer, ein Fieberthermometer (Glas) und ein berührungsloses Thermometer. Du füllst zwei Gläser mit Wasser: eines mit heißem Wasser (ca. 40 °C) und eines mit kaltem Wasser (ca. 10 °C). Jedes Thermometer wird nacheinander in das heiße Wasser getaucht. Nach 5 Minuten wird die Temperatur abgelesen und notiert. Dasselbe wird mit dem kalten Wasser wiederholt. Durchführung: 1. Stelle sicher, dass alle Thermometer funktionieren. 2. T auche jedes Thermometer für 5 Minuten in das heiße Wasser (ca. 40 °C). 3. Notiere die angezeigte Temperatur. 4. W iederhole das Ganze mit dem kalten Wasser (ca. 10 °C). Dokumentation: Beispielhafte Messergebnisse: • Digitales Thermometer: 39,8 °C im heißen Wasser, 9,5 °C im kalten Wasser. • Fieberthermometer: 39,5 °C im heißen Wasser, 9,3 °C im kalten Wasser. • Berührungsloses Thermometer: 39,6 °C im heißen Wasser, 9,4 °C im kalten Wasser. Auswertung: Vergleiche die gemessenen Temperaturen. Das Thermometer, das die genauesten Werte anzeigt, ist dasjenige, das die besten Ergebnisse liefert. Überlege, ob das digitale Thermometer die genaue Temperatur angezeigt hat und ob deine Hypothese korrekt war. Ergebnis: Schreibe, welches Thermometer die genauesten Ergebnisse geliefert hat und ob deine Hypothese stimmt. Man misst verschiedene Temperaturen, wenn man dasselbe Objekt mit verschiedenen Thermometern misst. Jedes Messgerät hat immer eine Messungenauigkeit. Diese entstehen durch Ungenauigkeiten in der Herstellung oder beim Kalibrieren eines Thermometers, also bei der Einstellung der Skala. Aufgrund der Messfehler zeigen verschiedene Thermometer leicht unterschiedliche Temperaturen an, auch wenn sie dasselbe messen. Deshalb führt man in der Physik meistens viele Messungen mit verschiedenen Geräten durch. Rechnen wir für eine Temperaturerhöhung von 20 °C auf 100 °C bei einer Leistung von 2000 W. Um 1 l um 1 °C zu erwärmen, sind 4200 J nötig. Weil der Temperaturunterschied 80 °C beträgt, müssen zum Erwärmen 4200 J · 80 = 336.000 J zugeführt werden. Bei 2000W (= 2000 J/s) dauert die theoretische Aufwärmzeit daher 336.000 J/(2000 J/s) = 168 s oder 2 Minuten 48 Sekunden. In der Praxis dauert es länger, weil Wärme verloren geht. A 36 A 38 A 39 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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