Gymnasium am Markt Hettstedt Physik in der gymnasialen Oberstufe

Abiturtraining Physik
Thermodynamik 2
Kinetische Statistik - Grundlagen
1) Bestimmen Sie die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder eines Verbrennungsmotors am
Ende des Verdichtungstaktes. Der Druck des Gemisches im Zylinder beträgt vor der Kompression
p1  74 kPa
der Kompression
und nach der Kompression
p2  820 kPa . Die Temperatur des Gemisches beträgt vor
T1  315 K . Der Motor hat ein Verdichtungsverhältnis von
VGroß
 6,3 .
Vklein
2) Zur experimentellen Bestimmung von spezifischen Konstanten eines Gases wurde mit Hilfe der dargestellten
Versuchsanordnung die angegebene Messwertreihe aufgenommen.
Thermometer
Manometer
Luftgefüllter
Glaskolben
Messwerte
p = 1515 hPa = konstant
Nr.
V in ml
T in K
1
300
296
2
310
306
3
320
316
4
330
326
5
340
335
6
350
345
7
360
355
8
370
365
Kolbenprober
Heizplatte
Bei diesem Experiment, ausgehend vom Messwertpaar Nr. 1 bis zum Messwertpaar Nr. 8, wurde die Heizplatte 2
Minuten lang mit einer Spannung von 12 V betrieben. Dabei wurde eine Stromstärke von 43 mA gemessen. Da
der Kloben leicht beweglich war, konnte ein konstanter Druck gewährleistet werden. Berechnen Sie aus diesen
Messwerten die spezifische Wärmekapazität c p der eingeschlossenen Luftmenge bei p = konst.
(
Rs  287J  kg1  K 1 ) unter der Annahme, dass 60% der aufgewandten elektrischen Energie zur Erwärmung
der Luftmenge genutzt wurden.
3) Die Abbildungen zeigen einen an einem Ball ohne Hilfsmittel ablaufenden Prozess, der in Widerspruch mit
den Erfahrungen steht!
a) Erläutern Sie an Hand dieses Beispiels die Begriffe „reversibler Prozess“ und „irreversibler Prozess“! Erläutern Sie, welche physikalische Größe die Beurteilung solcher Prozesse gestattet.
b) Berechnen Sie die Entropieänderung, die beim Schmelzen von 1 kg Eis aus Wasser von 0°C auftritt.
c) Berechnen Sie die Entropieänderung, die ein 420 g schwerer Ball erzeugt, wenn er bei 0°C aus einer Höhe
von 7m frei fällt.
t1 = 0
<
t2
<
t3
<
t4
<
t5
4) Der „Ölfleck – Versuch“
Zur Abschätzung der Größenordnung von Moleküldurchmessern und der Avogadro - Konstanten dient der
„Ölfleckversuch“.
a) Erläutern Sie den Aufbau des Versuchs, und beschreiben Sie knapp dessen Durchführung. Beschreiben
Sie die dem Versuch zu Grunde liegenden vereinfachenden Annahmen.
Bei der Durchführung des Ölfleckversuchs ergaben
(Volumenverhältnis:
dem Radius
2 cm3
des Gemisches aus Öl und Leichtbenzin
1: 2000 ) 120 Tropfen . Ein Tropfen erzeugte einen kreisförmigen Fleck mit
6,0 cm .
(Daten der Ölsäure:
0,90
kg
dm3
; relative Molekülmasse:
282 )
b)


Schätzen Sie durch Rechnung aus diesen Messwerten den Durchmesser eines Ölsäuremoleküls und dessen Volumen ab.
Schätzen Sie mithilfe dieser Versuchsdaten die Größenordnung der Avogadro - Konstanten ab.
1
Abiturtraining Physik
Thermodynamik 2
1
T2 = 554 K ( = 281°C )
2
c p  1006 J  kg1  K 1
3b
S  1,2 kJ  K 1
3c
S  0,11 J  K 1
4
r1Molekül  3,6839  10 10 m
NA  6,022  1023 mol1
2