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Videoanleitung zu Experimenten zur Wärmeleitung

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Dieses Video zeigt und erklärt einige Experimente zum Thema Wärmeleitung und -kapazität. Die Experimente können Physikunterricht aber auch im Homeschooling mit Haushaltgegenständen leicht reproduziert werden. Das Video stammt von Prof. André Bresges, Professor für Physik an der Universität Köln.

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Dieses Video zeigt und erklärt einige Experimente zum Thema Wärmeleitung und -kapazität. Die Experimente können Physikunterricht aber auch im Homeschooling mit Haushaltgegenständen leicht reproduziert werden. Das Video stammt von Prof. André Bresges, Professor für Physik an der Universität Köln.

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Video zur Kompressibilität von Gasen und Flüssigkeiten

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Dieses Video zeigt den Unterschied in der Kompressibilität zwischen Gas und Flüssigkeit. Dazu werden Luft und Wasser in einer verschlossenen Spritze komprimiert. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Dieses Video zeigt den Unterschied in der Kompressibilität zwischen Gas und Flüssigkeit. Dazu werden Luft und Wasser in einer verschlossenen Spritze komprimiert. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Video der Brown'schen Bewegung von Farbpartikeln

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Dieses Video zeigt die Brown'sche Bewegung von Farbpartikeln in einer Flüssigkeit. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Dieses Video zeigt die Brown'sche Bewegung von Farbpartikeln in einer Flüssigkeit. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Video der Brown'schen Bewegung mit einer Teilchenströmung

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Dieses Video zeigt die Brown'sche Bewegung von Farbpartikeln und Milchfetttröpfchen, jeweils mit einem zusätzlichen Teilchenstrom in eine Richtung. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Dieses Video zeigt die Brown'sche Bewegung von Farbpartikeln und Milchfetttröpfchen, jeweils mit einem zusätzlichen Teilchenstrom in eine Richtung. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Video zur Wärmeströmung in Wasser

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Dieses Video zeigt ein Experiment zur Darstellung des Wärmetransports in Wasser. Dabei wird in einer Röhre Wasser erwärmt, das dadurch aufsteigt und eine Rundströmung verursacht. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Dieses Video zeigt ein Experiment zur Darstellung des Wärmetransports in Wasser. Dabei wird in einer Röhre Wasser erwärmt, das dadurch aufsteigt und eine Rundströmung verursacht. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Video zur Sublimation von Trockeneis

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Dieses Video zeigt die Sublimation von Trockeneis auf einer heißen Herdplatte. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Dieses Video zeigt die Sublimation von Trockeneis auf einer heißen Herdplatte. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.

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Infos zum Treibhauseffekt vom Umweltbundesamt

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Wärmeversorgung in der Schule - Ein Unterrichtsmodul der iMINT-Akademie Berlin

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Im Fachset Physik der iMINT-Akademie Berlin wurde ein Unterrichtsmodul zum Thema „Wärme im Alltag – Energie ist immer dabei“ entwickelt. Dabei sollen die Arten der Wärmeübertragung im Kontext der Wärmeversorgung in der Schule vermittelt werden. Wesentliche Ziele sind die individuelle Förderung aller Schülerinnen und Schüler und die Berücksichtigung der Bedürfnisse der Lernenden mit geistigen oder mit emotional- bzw. sozialen Entwicklungsstörungen. Besonders im Übungsteil wird der Schwerpunkt der Kompetenzentwicklung im Bereich der Sprachbildung deutlich. Durch die Arbeit an Lernstationen erhalten die Schülerinnen und Schüler Zeit, um sich die Zusammenhänge einer relativ komplexen technischen Anlage, der Heizungsanlage ihrer Schule, zu erarbeiten. Außerdem können sie Verantwortung für die eigene Schul- und Lebenswelt übernehmen.
Dieses OER-Material und weiteres Material der iMINT-Akademie Berlin gibt es unter:
https://bildungsserver.berlin-brandenburg.de/unterricht/faecher/mathematik-naturwissenschaften/mint/i-mint-akademie/weiterfuehrende-schulen/fachset-physik-1

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Im Fachset Physik der iMINT-Akademie Berlin wurde ein Unterrichtsmodul zum Thema „Wärme im Alltag – Energie ist immer dabei“ entwickelt. Dabei sollen die Arten der Wärmeübertragung im Kontext der Wärmeversorgung in der Schule vermittelt werden. Wesentliche Ziele sind die individuelle Förderung aller Schülerinnen und Schüler und die Berücksichtigung der Bedürfnisse der Lernenden mit geistigen oder mit emotional- bzw. sozialen Entwicklungsstörungen. Besonders im Übungsteil wird der Schwerpunkt der Kompetenzentwicklung im Bereich der Sprachbildung deutlich. Durch die Arbeit an Lernstationen erhalten die Schülerinnen und Schüler Zeit, um sich die Zusammenhänge einer relativ komplexen technischen Anlage, der Heizungsanlage ihrer Schule, zu erarbeiten. Außerdem können sie Verantwortung für die eigene Schul- und Lebenswelt übernehmen.
Dieses OER-Material und weiteres Material der iMINT-Akademie Berlin gibt es unter:
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Welt der Physik - Chaos und Ordnung

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Wenn Systeme so empfindlich von Veränderungen abhängen, dass langfristige Vorhersagen unmöglich werden, spricht man von chaotischem Verhalten. Und unsere Welt ist voller Chaos. Manchmal bildet sich Ordnung allerdings ganz von allein.

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Wenn Systeme so empfindlich von Veränderungen abhängen, dass langfristige Vorhersagen unmöglich werden, spricht man von chaotischem Verhalten. Und unsere Welt ist voller Chaos. Manchmal bildet sich Ordnung allerdings ganz von allein.

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Die Anomalie des Wassers

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Ein filmischer Beitrag von "Die Anomalos" vom Ludwig-Marum-Gymnasium Pfinztal für den LEIFIphysik-Videowettbewerb.

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Ein filmischer Beitrag von "Die Anomalos" vom Ludwig-Marum-Gymnasium Pfinztal für den LEIFIphysik-Videowettbewerb.

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Welt der Physik: "Klima"

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Einige auch für Schüler verständliche Texte aus dem Bereich Wetter und Klima mit aktuellem Forschungsbezug. Eine Seite der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

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Einige auch für Schüler verständliche Texte aus dem Bereich Wetter und Klima mit aktuellem Forschungsbezug. Eine Seite der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

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Liebesthermometer und trinkende Ente - Physikalische Spielzeuge

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Die Seite bietet weitergehende Informationen und Überlegungen zur Trinkenden Ente und zum Liebesthermometer - beides eindrucksvolle physikalische Spielzeuge anhand derer Themen wie Dampfdruck, Verdampfen und Kondensieren thematisiert werden können.

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Die Seite bietet weitergehende Informationen und Überlegungen zur Trinkenden Ente und zum Liebesthermometer - beides eindrucksvolle physikalische Spielzeuge anhand derer Themen wie Dampfdruck, Verdampfen und Kondensieren thematisiert werden können.

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Wärmeversorgung in der Schule - Ein Unterrichtsmodul der iMint-Akademie Berlin

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Im Fachset Physik der iMINT-Akademie Berlin wurde ein Unterrichtsmodul zum Thema „Wärme im Alltag – Energie ist immer dabei“ entwickelt. Dabei sollen die Arten der Wärmeübertragung im Kontext der Wärmeversorgung in der Schule vermittelt werden. Wesentliche Ziele sind die individuelle Förderung aller Schülerinnen und Schüler und die Berücksichtigung der Bedürfnisse der Lernenden mit geistigen oder mit emotional- bzw. sozialen Entwicklungsstörungen. Besonders im Übungsteil wird der Schwerpunkt der Kompetenzentwicklung im Bereich der Sprachbildung deutlich. Durch die Arbeit an Lernstationen erhalten die Schülerinnen und Schüler Zeit, um sich die Zusammenhänge einer relativ komplexen technischen Anlage, der Heizungsanlage ihrer Schule, zu erarbeiten. Außerdem können sie Verantwortung für die eigene Schul- und Lebenswelt übernehmen.

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Im Fachset Physik der iMINT-Akademie Berlin wurde ein Unterrichtsmodul zum Thema „Wärme im Alltag – Energie ist immer dabei“ entwickelt. Dabei sollen die Arten der Wärmeübertragung im Kontext der Wärmeversorgung in der Schule vermittelt werden. Wesentliche Ziele sind die individuelle Förderung aller Schülerinnen und Schüler und die Berücksichtigung der Bedürfnisse der Lernenden mit geistigen oder mit emotional- bzw. sozialen Entwicklungsstörungen. Besonders im Übungsteil wird der Schwerpunkt der Kompetenzentwicklung im Bereich der Sprachbildung deutlich. Durch die Arbeit an Lernstationen erhalten die Schülerinnen und Schüler Zeit, um sich die Zusammenhänge einer relativ komplexen technischen Anlage, der Heizungsanlage ihrer Schule, zu erarbeiten. Außerdem können sie Verantwortung für die eigene Schul- und Lebenswelt übernehmen.

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Absolute Temperatur

Grundwissen

  • Der absolute Nullpunkt der Temperatur liegt bei \(\vartheta=-273{,}15\,^\circ{\rm C}\).
  • Die Kelvin-Skala hat ihren Nullpunkt am absoluten Nullpunkt. Eine Temperatur von \(\vartheta=-273,15\,^\circ{\rm C}\) entspricht \(0\,{\rm K}\).
  • Kelvin-Temperaturen werden mit \(T\) symbolisiert und die Einheit Kelvin wird mit \({\rm K}\) abgekürzt.
  • Temperaturdifferenzen \(\Delta T\) werden in der Regel ebenfalls in \(\rm {K}\) angegeben.

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Grundwissen

  • Der absolute Nullpunkt der Temperatur liegt bei \(\vartheta=-273{,}15\,^\circ{\rm C}\).
  • Die Kelvin-Skala hat ihren Nullpunkt am absoluten Nullpunkt. Eine Temperatur von \(\vartheta=-273,15\,^\circ{\rm C}\) entspricht \(0\,{\rm K}\).
  • Kelvin-Temperaturen werden mit \(T\) symbolisiert und die Einheit Kelvin wird mit \({\rm K}\) abgekürzt.
  • Temperaturdifferenzen \(\Delta T\) werden in der Regel ebenfalls in \(\rm {K}\) angegeben.

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Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)

Grundwissen

  • Wärmestrahlung geht in der Regel von jedem Körper aus.
  • Je wärmer ein Körper ist, desto intensiver ist die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht.
  • Wärmestrahlung benötigt kein Medium um sich auszubreiten.

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  • Wärmestrahlung geht in der Regel von jedem Körper aus.
  • Je wärmer ein Körper ist, desto intensiver ist die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht.
  • Wärmestrahlung benötigt kein Medium um sich auszubreiten.

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Überblick über Wärmekraftmaschinen

Grundwissen

  • Wärmekraftmaschinen erleichtern uns an vielen Stellen im Alltag das Leben.
  • Die Dampfmaschine war die erste wichtige Wärmekraftmaschine.
  • Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist begrenzt.

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  • Wärmekraftmaschinen erleichtern uns an vielen Stellen im Alltag das Leben.
  • Die Dampfmaschine war die erste wichtige Wärmekraftmaschine.
  • Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist begrenzt.

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Allgemeines Gasgesetz

Grundwissen

  • Das Gesetz von BOYLE-MARIOTTE und das Gesetz von GAY-LUSSAC können zur allgemeinen Gasgleichung zusammengefasst werden.
  • Die allgemeine Gasgleichung besagt: \(\frac{{p \cdot V}}{T}\;{\rm{ist}}\;{\rm{konstant}}\)

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  • Das Gesetz von BOYLE-MARIOTTE und das Gesetz von GAY-LUSSAC können zur allgemeinen Gasgleichung zusammengefasst werden.
  • Die allgemeine Gasgleichung besagt: \(\frac{{p \cdot V}}{T}\;{\rm{ist}}\;{\rm{konstant}}\)

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Änderung der inneren Energie

Grundwissen

  • Eine Änderung der inneren Energie \(\Delta E_{\rm i}\) kann durch Verrichtung von Arbeit an einem Körper oder durch Übertragung von Wärme auf einen Körper erfolgen.
  • Die Änderung der innere Energie \(\Delta E_{\rm i}\) ist proportional zur Temperaturänderung \(\Delta \vartheta\) und zur Masse \(m\) .
  • Mathematisch wird der Zusammenhang beschrieben durch \(\Delta E_{\rm i}= c \cdot m\cdot \Delta \vartheta\).

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  • Eine Änderung der inneren Energie \(\Delta E_{\rm i}\) kann durch Verrichtung von Arbeit an einem Körper oder durch Übertragung von Wärme auf einen Körper erfolgen.
  • Die Änderung der innere Energie \(\Delta E_{\rm i}\) ist proportional zur Temperaturänderung \(\Delta \vartheta\) und zur Masse \(m\) .
  • Mathematisch wird der Zusammenhang beschrieben durch \(\Delta E_{\rm i}= c \cdot m\cdot \Delta \vartheta\).

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Wärmetransport

Grundwissen

  • Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: durch Wärmeleitung, durch Wärmemitführung (Wärmeströmung oder Konvektion) oder durch Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)
  • Im Alltag treten oft mehrere Arten gemeinsam auf
  • Häufig leistet eine Transportart den mit Abstand größten Beitrag zum gesamten Wärmetransport

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  • Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: durch Wärmeleitung, durch Wärmemitführung (Wärmeströmung oder Konvektion) oder durch Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)
  • Im Alltag treten oft mehrere Arten gemeinsam auf
  • Häufig leistet eine Transportart den mit Abstand größten Beitrag zum gesamten Wärmetransport

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Teilchenmodell

Grundwissen

  • Alle Körper sind aus kleinen, sich ständig bewegenden Teilchen aufgebaut.
  • Ein Körper hat unterschiedliche Eigeschaften, je nachdem ob er fest, flüssig oder gasförmig ist.
  • Je mehr ein Stoff erwärmt wird, desto mehr bewegen sich die Teilchen des Stoffes.

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  • Alle Körper sind aus kleinen, sich ständig bewegenden Teilchen aufgebaut.
  • Ein Körper hat unterschiedliche Eigeschaften, je nachdem ob er fest, flüssig oder gasförmig ist.
  • Je mehr ein Stoff erwärmt wird, desto mehr bewegen sich die Teilchen des Stoffes.

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Universelle Gasgleichung

Grundwissen

Die universelle Gasgleichung lautet \[p \cdot V = k_{\rm B} \cdot N \cdot T\] mit dem Druck \(p\), dem Volumen \(V\), der Boltzmann-Konstanten \(k_{\rm B}\), der Teilchenzahl \(N\) und der Temperatur \(T\). 

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Die universelle Gasgleichung lautet \[p \cdot V = k_{\rm B} \cdot N \cdot T\] mit dem Druck \(p\), dem Volumen \(V\), der Boltzmann-Konstanten \(k_{\rm B}\), der Teilchenzahl \(N\) und der Temperatur \(T\). 

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Starke und schwache Kausalität

Grundwissen

  • Schwacher Kausalität liegt vor, wenn exakt gleiche Ursachen die stets gleiche Wirkung zur Folge haben.
  •  Starker Kausalität liegt vor, wenn ähnliche Ursachen eine ähnliche Wirkung zur Folge haben. Kleine Änderungen im Ausgangszustand führen nur zu kleinen Änderungen im Ergebnis.
  • Viele Systeme in der Natur sind labile Gleichgewichtszustände. Hier liegt keine starke Kausalität vor.

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Grundwissen

  • Schwacher Kausalität liegt vor, wenn exakt gleiche Ursachen die stets gleiche Wirkung zur Folge haben.
  •  Starker Kausalität liegt vor, wenn ähnliche Ursachen eine ähnliche Wirkung zur Folge haben. Kleine Änderungen im Ausgangszustand führen nur zu kleinen Änderungen im Ergebnis.
  • Viele Systeme in der Natur sind labile Gleichgewichtszustände. Hier liegt keine starke Kausalität vor.

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Kausalitätsprinzip - Grenzen der NEWTONschen Mechanik

Grundwissen

  • Würde man einen Zustand vollständig kennen, könnte man mit Hilfe der Naturgesetze alle Folgen daraus ableiten.
  • Damit wäre alles Geschehen der Welt unabänderlich bestimmt (Determinismus).
  • Die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie machen jedoch die Grenzen des Determinismus deutlich.

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  • Würde man einen Zustand vollständig kennen, könnte man mit Hilfe der Naturgesetze alle Folgen daraus ableiten.
  • Damit wäre alles Geschehen der Welt unabänderlich bestimmt (Determinismus).
  • Die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie machen jedoch die Grenzen des Determinismus deutlich.

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Volumen- und Längenänderung von Festkörpern

Grundwissen

  • Festkörper dehnen sich beim Erwärmen i.d.R. in alle Raumrichtung gleichmäßig aus.
  • Bei Festkörpern gibt man oft den Längenausdehnungskoeffizienten \(\alpha\) an.
  • Für die Längenänderung gilt \(\Delta l = \alpha \cdot {l_0} \cdot \Delta \vartheta\).

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  • Festkörper dehnen sich beim Erwärmen i.d.R. in alle Raumrichtung gleichmäßig aus.
  • Bei Festkörpern gibt man oft den Längenausdehnungskoeffizienten \(\alpha\) an.
  • Für die Längenänderung gilt \(\Delta l = \alpha \cdot {l_0} \cdot \Delta \vartheta\).

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Viertakt-Ottomotor

Grundwissen

  • Die 4 Takte sind: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Auspuffen
  • Mehrere Zylinder eines Motors laufen versetzt. Ziel ist, dass immer ein Zylinder gerade im Arbeitstakt ist.
  • Der Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt im Idealfall bei \(\eta=35\,\%\), meist jedoch deutlich darunter.

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  • Die 4 Takte sind: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Auspuffen
  • Mehrere Zylinder eines Motors laufen versetzt. Ziel ist, dass immer ein Zylinder gerade im Arbeitstakt ist.
  • Der Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt im Idealfall bei \(\eta=35\,\%\), meist jedoch deutlich darunter.

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Volumenänderung von Stoffen

Grundwissen

  • Die meisten Körper vergrößern bei Erwärmung ihr Volumen.
  • Die Volumenänderung ist bei Gasen größer als bei Flüssigkeiten und bei Flüssigkeiten größer als bei Festkörpern.
  • Wasser und Gummi verhalten sich in bestimmten Temperaturbereichen anders.

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  • Die meisten Körper vergrößern bei Erwärmung ihr Volumen.
  • Die Volumenänderung ist bei Gasen größer als bei Flüssigkeiten und bei Flüssigkeiten größer als bei Festkörpern.
  • Wasser und Gummi verhalten sich in bestimmten Temperaturbereichen anders.

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CELSIUS-Skala

Grundwissen

  • Zur objektiven Bestimmung der Temperatur wird häufig eine Skala mit der Einteilung Grad Celsius (\(^\circ\rm{C}\)) genutzt.
  • Der Schmelzpunkt des Eises wird als \(0\,^\circ\rm{C}\) festgelegt, der Siedepunkt des Wassers als \(100\,^\circ\rm{C}\).
  • Der hundertste Teil dieses Abstandes ist die Temperaturdifferenz \(1\,^\circ\rm{C}\).

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  • Zur objektiven Bestimmung der Temperatur wird häufig eine Skala mit der Einteilung Grad Celsius (\(^\circ\rm{C}\)) genutzt.
  • Der Schmelzpunkt des Eises wird als \(0\,^\circ\rm{C}\) festgelegt, der Siedepunkt des Wassers als \(100\,^\circ\rm{C}\).
  • Der hundertste Teil dieses Abstandes ist die Temperaturdifferenz \(1\,^\circ\rm{C}\).

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BROWNsche Bewegung und Innere Energie

Grundwissen

  • Die Atome eines Körpers sind auch ohne Krafteinwirkung von außen immer in Bewegung.
  • Einen Festkörper kannst du dir als Feder-Kugel-Modell vorstellen.
  • Die Summe aller kinetischen und potentiellen Energien der Atome eines Körpers wird als innere Energie bezeichnet.

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  • Die Atome eines Körpers sind auch ohne Krafteinwirkung von außen immer in Bewegung.
  • Einen Festkörper kannst du dir als Feder-Kugel-Modell vorstellen.
  • Die Summe aller kinetischen und potentiellen Energien der Atome eines Körpers wird als innere Energie bezeichnet.

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Temperaturumrechnung

Grundwissen

  • Für die Umrechnung von Kelvin in Grad Celsius subtrahierst du 273,15 und passt die Einheit an.
  • Für die Umrechnung von Grad Celsius in Kelvin addierst du 273,15 und passt die Einheit an.

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  • Für die Umrechnung von Kelvin in Grad Celsius subtrahierst du 273,15 und passt die Einheit an.
  • Für die Umrechnung von Grad Celsius in Kelvin addierst du 273,15 und passt die Einheit an.

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Gesetz von BOYLE und MARIOTTE

Grundwissen

  • Wird eine feste Menge (konstante Teilchenzahl \(N\)) eines Idealen Gases auf einer konstanten Temperatur \(T\) gehalten, während sich der Druck oder das Volumen der Gasmenge ändern, so spricht man von einer isothermen Zustandsänderung der Gasmenge.
  • Bei derartigen isothermen Zuständänderungen ist das Volumen \(V\) der Gasmenge umgekehrt proportional zum Druck \(p\)\[V \sim \frac{1}{p}\;\;\;\rm{bzw.}\;\;\;p \cdot V\;\rm{ist\;konstant}\;\;\;\rm{bzw.}\;\;\;p_1 \cdot V_1 = p_2 \cdot V_2\]

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  • Wird eine feste Menge (konstante Teilchenzahl \(N\)) eines Idealen Gases auf einer konstanten Temperatur \(T\) gehalten, während sich der Druck oder das Volumen der Gasmenge ändern, so spricht man von einer isothermen Zustandsänderung der Gasmenge.
  • Bei derartigen isothermen Zuständänderungen ist das Volumen \(V\) der Gasmenge umgekehrt proportional zum Druck \(p\)\[V \sim \frac{1}{p}\;\;\;\rm{bzw.}\;\;\;p \cdot V\;\rm{ist\;konstant}\;\;\;\rm{bzw.}\;\;\;p_1 \cdot V_1 = p_2 \cdot V_2\]

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