Kontrollfragen Profilkurs

 

Die hier formulierten Fragen berühren einen großen Teil des im Rahmen einer Abiturprüfung abgeforderten Wissens. Sie zeigen den Umfang des zu erlernenden Stoffs auf, ohne jedoch auf alle Aspekte einzugehen. Oftmals ist zu ihrer Beantwortung eine ausführliche Darlegung eines Themenkomplexes erforderlich. Ein Anspruch auf Vollständigkeit besteht jedoch nicht.

 

Thema 2: Thermodynamik

 

2.1 Zustandsänderung idealer Gase

    1. Sprechen Sie über die Begriffe Thermodynamisches System, Zustandsgröße und Prozessgröße.

    2. Was ist ein ideales Gas?

    3. Wann verhält sich ein reales Gas näherungsweise wie ein ideales Gas?

    4. Was sind Normbedingungen?

    5. Unterscheiden Sie die Begriffe Stoffmenge und Avogadrokonstante!

    6. Wodurch ist der absolute Nullpunkt gekennzeichnet?

     7 Was sagen die Gesetze von Gay-Lussac, Amontons und Boyle-Mariott aus?

    8. Wie lautet die allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase (3 Varianten) und wozu dient sie?

    9. Welche Unterschiede und Zusammenhänge bestehen zwischen allgemeiner und Spezieller Gaskonstante?

  10. Leiten Sie die Spezialfälle der allgemeinen Zustandsgleichung ab. Wie sehen die Graphen der neuen Funktionen im p-V, p-T und V-T-Diagramm aus?

 

2.2 Der Erste Hauptsatz der Wärmelehre

    1. Unterscheiden Sie die Begriffe Wärme und Temperatur!

    2. Warum unterscheidet man bei Gasen cP und cV? Welcher Wert ist größer und wieso ist das so?

    3. Welche Bedeutung hat die spezifische Wärmekapazität für die isotherme Zustandsänderung?

    4. Welche Vorzeichenfestlegung gilt für Volumenarbeit und Wärme bei idealen Gasen?

    5. Leiten Sie die Beziehungen für die Berechnung der Volumenarbeit von idealen Gasen bei isochorer, isobarer und isothermer Zustandsänderung her.

    6. Geben Sie mindestens drei Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik an, eine davon als Gleichung.

    7. Wenden Sie den ersten Hauptsatz auf die drei Spezialfälle der allgemeinen Zustandsgleichung idealer Gase an. Interpretieren Sie die neuen Gleichungen.

    8. Zeigen Sie, dass die Gleichung DU = m·cV·DT für jede beliebige Zustandsänderung gilt.

    9. Sprechen Sie über den Begriff Freiheitsgrad und geben Sie cP und cV sowohl allgemein als auch für ein- zwei- und mehratomige Gase an.

  10. Zeigen Sie, dass für ideale Gase cP – cV = RS (spezielle Gaskonstante) gilt.

  11. Leiten Sie die Spezialfälle des ersten Hauptsatzes ab. Welche Zustandsänderungen werden durch die neuen Gleichungen beschrieben?

  12. Was ist eine adiabatische Zustandsänderung? Wie kann man sie praktisch näherungsweise realisieren?

 

Ergänzungsfragen - nicht mehr in den Rahmenrichtlinien

  Z1. Formulieren Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, spezialisiert für die adiabatische Zustandsänderung.

  Z2. Wie lautet die Grundform der Poissonsche Adiabatengleichung? Was bedeuten die darin vorkommenden Größen?

  Z3. Leiten Sie aus der Grundform des Poissonschen Adiabatengleichung den Zusammenhang zwischen p und T sowie zwischen V und T bei der adiabatischen Zustandsänderung her.

  Z4. Wie sieht eine Adiabate im p-V-Diagramm aus? Wodurch unterscheidet sie sich von einer Isothermen?

  Z5. Leiten Sie den Zahlenwert für den Adiabatenexponenten von Luft her, ohne auf andere numerische Werte zurückzugreifen. Wie groß ist der Wert von Helium?

 

 

2.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

    1. Formulieren Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Geben Sie Beispiele für Prozesse an, die dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen würden.

    2. Erläutern Sie, dass ein Kühlschrank nicht im Widerspruch zum 2. Hauptsatz der Thermodynamik steht.

    3. Formulieren Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik mithilfe des Begriffs Entropie.

 

2.4 Kinetisch-Statistische Gastheorie

    1. Unterscheiden Sie den kinetisch-statistischen Ansatz bei der Betrachtung idealer Gase vom phänomenologischen Ansatz.

    2. Wie ist die Stoffmenge definiert?

    3. Geben Sie plausible Beispiele an, um die Dimension von Atomen und die Größenordnung der Avogadrokonstanen zu veranschaulichen.

    4. Formulieren Sie die allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase unter Verwendung der Boltzmannkonstante.

    5. Erläutern Sie, warum die Gleichverteilung der Gasteilchen im Raum die wahrscheinlichste Anordnung ist.

    6. Was versteht man unter Brownscher Bewegung und wodurch wird sie hervorgerufen?

    7. Begründen Sie den Prozess der Diffusion aus kinetisch-statistischer Sicht. Wovon hängt die Diffusionsgeschwindigkeit ab? Erläutern Sie ein Experiment, mit dem man diesen Effekt zeigen kann (empfohlen: Tonzellenversuch).

    8. Interpretieren Sie die Grundgleichung der kinetischen Gastheorie.

    9. Erläutern Sie den Unterschied zwischen den Begriffen „mittlere Geschwindigkeit” ,  „mittlere quadratische Geschwindigkeit” , „mittleres Geschwindigkeitsquadrat” und „Quadrat der mittleren Geschwindigkeit”.

  10. Skizzieren Sie den Verlauf der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung idealer Gase für verschiede Temperaturen. Interpretieren Sie die Graphen (einschließlich Größen an den Achsen und Veränderung bei Temperaturänderungen).

  11. Welcher Zusammenhang und welchen Unterschiede bestehen bei einem Idealen Gas zwischen den Größen: „mittlere kinetische Energie” , „mittlere thermische Energie” , „thermische Energie” und „innere Energie”? Entscheiden Sie zunächst, ob diese Größen für einzelne Teilchen oder für das gesamte Gas relevant sind.

  12. Zeigen Sie, dass bei einem ideales Gas die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen ist. Begründen Sie, dass die Anzahl der Freiheitsgrade des Gases (ein- zwei- oder mehratomiges Gas) auf das Ergebnis keinen Einfluß hat.

  13. Geben Sie die mittlere thermische Energie der Gasteilchen (einatomig, zweiatomig, mehratomig, allgemein) als Funktion der Temperatur an.

 

2.5 Entropie von Gasen

    1. Was versteht man unter dem Begriff  „Thermodynamische Wahrscheinlichkeit”?

    2. Was bedeuten die Begriffe „reversibel” und „irreversibel”? Wie ändert sich die thermodynamische Wahrscheinlichkeit bei reversiblen und bei irreversiblen Vorgängen?

    3. Wie kann man den Begriff „Entropie” mithilfe des Begriffs  „thermodynamische Wahrscheinlichkeit” definieren?

    4. Unterschieden Sie reversible, irreversible und unmögliche Vorgänge mithilfe der dabei auftretenden Entropieänderung.

    5. Welche Inhaltliche Bedeutung kann man dem Begriff Entropie im Rahmen der kinetisch-statistischen Gastheorie zuordnen? Inwieweit kann man diese Zuordnung auf andere Situationen übertragen?

    6. Formulieren Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik mithilfe des Entropiebegriffs.

    7. Geben Sie die Gleichungen zur Entropieänderung bei folgenden Prozessen an:

        - Erwärmen und Abkühlen von Festkörpern und Flüssigkeiten

        - Schmelzen und Erstarren von Festkörpern und Flüssigkeiten

        - Isobare Zustandsänderung idealer Gase

        - Isochore Zustandsänderung idealer Gase

        - Isotherme Zustandsänderung idealer Gase

        - Adiabatische Zustandsänderung idealer Gase

    8. Bei einem Mischungsvorgang zweier Körper nimmt die Entropie des einen zu, die des anderen aber ab. Erläutern Sie, dass dies keinen Widerspruch zum zweiten Hauptsatz darstellt.

       

2.6 Kalorimetrie

    1. Was ist der Unterschied zwischen Wärme, thermischer Energie und Temperatur?

    2. Wie lautet die Grundgleichung des Wärmeaustausches. Was bedeuten die darin vorkommenden Größen?

    3. Formulieren Sie die Energiebilanz für Wärmeaustauschprozesse (Mischungsprozesse). Wie muss man vorgehen, wenn mehr als zwei Körper am Mischungsprozess beteiligt sind?

    4. Was ist eine Kalorimeterwert? Wie wird er in der Wärmebilanz berücksichtigt?

    5. Wie kann man die Umwandlungswärmen bei Aggregatzustandsänderungen berechnen?

    6. Wie werden Umwandlungswärmen in der Energiebilanz berücksichtigt? Gehen Sie dabei auch auf das Vorzeichen der jeweiligen Umwandlungswärme ein.

    7. Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man die Schmelzwärme von Eis bestimmen kann.

    8. Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man den Kalorimeterwert bestimmen kann.

 

 

Additum II - Temperaturstrahlung

 

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Additum III - Wärmekraftmaschinen

 

III.1  Kreisprozesse

    1. Was ist ein Kreisprozess? Unterscheiden Sie dabei auch die Begriffe Linksprozeß und Rechtsprozess.

    2. Was versteht man unter der „vom Kreisprozeß abgegebenen Arbeit” , der „vom Kreisprozeß aufgenommen Wärme” und der „vom Kreisprozeß abgegeben Wärme”? Welche Vorzeichen­regelung gilt?

    3. Wie ist der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine definiert?

    4. Erläutern Sie die idealisierte Variante eines technisch realisierbaren Kreisprozesses (Otto- oder Dieselprozeß) ausführlich am p-V-Diagramm.

    5. Erläutern Sie den Carnot-Prozeß oder den Stirling-Prozeß ausführlich am p-V-Diagramm. Geben Sie dabei für jede Zustandsänderung die übertragenen Wärmen und Arbeiten an (Gleichungen), formulieren Sie die Gesamt-Energiebilanz und den Wirkungsgrad.

    6. Erläutern Sie was passiert, wenn man den Carnot- (oder Stirling-) Prozess links herum laufen lässt. Gehen Sie dabei auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Wärmepumpe und Kältemaschine ein.

    7. Warum unterscheiden sich die Leistungsziffern von Wärempumpe und Kältemaschine (gleiche Temperaturen vorausgesetzt)?

    8. Erläutern Sie, dass die Aussagen "Die Leistungsziffer einer Wärmepumpe ist größer 1" bzw. "Die Wärmepumpe gibt mehr Energie ab, als ihr zugeführt wird" nicht im Widerspruch zum Energiesatz stehen.

    9. Erläutern Sie die Begriffe „reversibel” und „irreversibel”.

  10. Geben Sie vier voneinander verschiedene Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik an.

  11. Erläutern Sie, dass ein Kühlschrank nicht im Widerspruch zum 2. Hauptsatz der Thermodynamik steht.

  12. Die Erfahrung lehrt, dass sich ein warmer Körper niemals dadurch weiter erwärmt, indem er selbständig (ohne äußeres Zutun) einem kälteren Körper thermische Energie entzieht. Zeigen Sie, dass die Annahme, man könne eine Wärmekraftmaschine bauen, die einen höheren Wirkungsgrad als die Carnot-Maschine hat (gleiche Arbeitstemperaturen vorausgesetzt), dieser Erfahrungstatsache widerspricht.