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
Noch keine
Kontrollfragen vorhanden
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.