Wasser kommt in unterschiedlichen Formen vor: fest, flüssig, gasförmig. Diese drei sogenannten Aggregatzustände werden hier kurz erklärt.

1 Das ewige Eis
Berner Alpen

Oberhalb von 4000 m regnet es im Alpenraum fast nie. Dies führt zu riesigen Gletschern in den Berner Alpen. Bei exakt 0 °C gefriert Wasser zu Eis, wenn diesem Energie entzogen, wird. Andersrum schmilzt Wasser bei 0 °C bei der Zufuhr von Energie, wie bspw. Wärme.

Da in den höchsten Lagen der Alpen nur selten Temperaturen über 0 °C vorzufinden sind, entstehen hier ewige Eismassen, welche sich nur ganz langsam in den Gletschern talwärts bewegen.

2 Lebensspendendes Wasser
Wasserfall über Wanderweg

Während in manchen Teilen der Welt, Wasser im Überfluss vorhanden ist, mangelt es an anderen Orten. Wasser fließt durch die Schwerkraft schnell talwärts oder versickert in Spalten. Ohne Wasser wäre kein Leben möglich, wie man schön an dem Beispiel von Wüsten sieht.

Dabei hat Wasser bei 4 °C die größte Dichte. Dies führt dazu, dass in allen Gewässern, Wasser bei einer Temperatur von 4 °C nach unten absinkt. Sowohl wärmeres als auch kälteres Wasser sammelt sich automatisch an der Oberfläche.

Hinweis: Bei intensiver Sonneneinstrahlung kann Eis direkt in den gasförmigen Zustand wechseln. Somit wird der flüssige Aggregatzustand übersprungen. Man spricht vom sublimieren.

3 Die Wolken die sich auflösen
sich auflösende Wolken

Die Wolken lösen sich hinter der Bergkette auf. Es kommen ständig Wolken nach, aber hinter der Bergkette verschwinden sie. Der Grund ist ganz einfach: Wasser verdampft bei einer Temperatur von 100 °C. Dabei löst es sich unsichtbar in der Luft auf. Nun kann aber die Luft in Abhängigkeit von der Temperatur nur eine begrenzte Menge Wasser speichern. Dabei gilt: Je kälter, desto geringer die Wasserspeicherfähigkeit von Luft. Steigt warme Luft nun auf kühlt diese ab, was dazu führt, dass das Wasser kondensiert. Hiervon spricht man, wenn Wasser in kleinsten Tröpfchen wieder flüssig wird.

Erwärmt sich nun diese Luft wieder, z.B. dadurch, dass sie talwärts strömt, kann diese Luft wieder mehr Wasser speichern, so dass die Wassertröpfchen wieder in den gasförmigen Zustand wechseln.

4 Energiebedarf Wasser
Gletschereis

Um die Temperatur oder die Aggregatzustände von Wasser zu ändern benötigen wir Energie in Form von Wärme. Wieviel Energie man für 1 kg, bzw. 1 l benötigt wird in der folgenden Tabelle gezeigt:

Eis -100 °C → Eis 0 °C E = 170'000 J
Eis 0 °C → Wasser 0 °C E = 334'000 J
Wasser 0 °C → Wasser 100 °C E = 420'000 J
Wasser 100 °C → Wasser­dampf 100 °C E = 2'256'000 J
5 Die spezifische Wärmekapazität
Meer

Das Wasser im Meer erwärmt sich nur langsam. Auf der anderen Seite kühlt es auch langsam ab und so ist Frost direkt am Meer eher selten. Warum dies so ist, liegt an der besonders guten Fähigkeit von Wasser Energie in Form von Wärme zu speichern. Ein Maß hierfür ist die spezifische Wärmekapazität $c$. Mit der Wärme $\Delta Q$, der Masse $m$ und der Temperaturdifferenz $\Delta T$ berechnet man:
$c=\frac{\Delta Q}{m \cdot \Delta T}$

Um ein 1 kg Wasser um ein Kelvin zu erwärmen, benötigt man eine Energie von 4,182 kJ.

Ma­terial Eis Fe H2O Hg H2
c in kJ/(kg K) 2,1 0,5 4,2 0,14 14
6 Heizwert
Holzofen

Um nun die benötigte Brennstoffmenge zu berechnen um bspw. Wasser um 1 Grad zu erwärmen, benötig man desse Heizwert. Er gibt an wieviel Energie in Form von Wärme beim Verbrennen frei wird.

Brenn­stoff Ben­zin Die­sel Holz Erd­gas
Heiz­wert Hi in MJ/kg 44 38 15 44

Um bspw. 100 l Wasser um 40 °C zu erwärmen benötigt man folgende Holzmenge:
$m_{Holz}\hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm}\frac{\Delta Q}{H_{Holz}}\hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm}\frac{4,18\cdot 100 \cdot 40}{15000} \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} 1,11kg$



Aufgabe 1 Strukturlegemethode

Schreibe die Begriffe aus der "wordcloud" auf Metaplankarten und strukturiere sie.

  • Nutze hierfür verschiedene Farben und nach Möglichkeit Icons.

  • Welche Zusammenhänge kannst du zwischen den Begriffen herstellen?

  • Wenn die Struktur steht, erklärt immer einer einen Begriff und dreht diesen um.

  • Am Ende sollte jeder in der Lage sein, die Struktur blind in sein Heft zu übertragen.

  • Strukturlegemethode Aggregatzustände

Begriffe Aggregatzustände


Aufgabe 2 Praxisbeispiele

Filmleiste

Finde Beispiele aus der Praxis in der Stoffe Ihre Aggregatzustände wechseln.

  1. Zeichne jeweils eine Filmleiste.

  2. Beschreibe zu jedem Bild in eigenen Worten den Prozess.

  3. Welcher Prozess ist dir unklar?

Ideen:

  • Wasserkreislauf

  • Kühlschrank

  • Glasherstellung

  • Wärmepumpe




Aufgabe 3 Energiebedarf Wasser

Um den Aggregatzustand von Wasser zu ändern oder um dieses zu erwärmen, benötigt man Energie.

  1. Berechne die notwendige Energie um 4 l zu verdampfen.
  2. Berechne die notwendige Energie um 1 l Wasser von 20 °C zum Kochen zu bringen.
  3. Berechne die Wassermenge die du, mit der Verdampfungsungsernergie von 1 l Wasser, um 100 °C erwärmen kannst.
  4. Ergänze: "Wenn ich 1 kg Eis schmelze, kann ich mit der gleichen Energie 1 l Wasser um ... °C erwärmen."
Schnee und Eis
  1. Verdampfungswärme: $E_{Wasserdampf}=4\cdot 2256000\:\text{J}=9024000\:\text{J}$
  2. notwendige Energie: $E_{80\:^\circ \text{C}}=80\cdot 4200 = 336000\:\text{J}$
    Merke: Man benötigt in etwa die selbe Energiemenge um 1 l Wasser zum Kochen zu bringen oder 1 kg Eis zu schmelzen.
  3. Verdampfungswärme: $E_{Wasserdampf}=2256000\:\text{J}$
    Erwärmungsenergie: $E_{Wasser 100\:^\circ \text{C}} = 420000\:\text{J}$
    Wassermenge: $m_{H2O}=\frac{2256000}{420000}\approx 5,371\:\text{kg}$
  4. Ergänze: "Wenn ich 1 kg Eis schmelze, kann ich mit der gleichen Energie 1 l Wasser um 79,52 °C erwärmen."

Entspann dich erst mal ...

Sachverhalte zu erklären, ist nicht immer einfach. Vielleicht kannst du hier noch die ein oder andere Idee mitnehmen. ...

Aufgabe 4 spezifische Wärmekapazität

Die Fähigkeiten von Stoffen thermische Energie zu speichern ist in der Praxis oft bedeutsam. Beantworte hierzu folgende Fragen:

  1. Wieso ist in Deutschland am Meer das größte Apfelanbaugebiet.

  2. Mit was füllt man eine Wärmflasche und warum?

  3. Wieso sind sonnenerwärmte Steine nach dem Sonnenuntergang noch warm?

  4. Welche Energie benötigt man für Eis, Eisen und Wasser, um 100 kg um 40 °C zu erwärmen?

Ideen:

  1. Das Meerwasser hat eine große Wärmekapazität, welche Frost in dessen Nähe verhindert.

  2. Mit Wasser gefüllt bleibt die Wärmflasche am längsten warm.

  3. Auch wenn Stein eine geringere Wärmekapazität hat, speichert er Wärme. Insbesondere durch die hohe Wärmeleitfähigkeit, wird eine hohe Masse an Stein erwärmt, die dann die Wärme auch wieder abstrahlt.

  4. Eis (H2O): $\Delta Q = 2,06 \cdot 100 \cdot 40 = 8240$ kJ

    Eisen (Fe): $\Delta Q = 0,45 \cdot 100 \cdot 40 = 1800$ kJ

    Wasser (H2O): $\Delta Q = 4,18 \cdot 100 \cdot 40 = 16720$ kJ



Apfelplantage

Aufgabe 5 Kostenvergleich Heizungsart

Häuslesbauer in Deutschland benötigen eine Heizung. Dabei müssen sie zwischen verschiedenen Heizungsarten auswählen: Gasheizung, Ölheizung, Erdwärme, Holzheizung und elektrische Heizung.

Heizung

Doch welche Heizungsart ist die günstigste? Beantworte dazu folgende Fragen:

  1. Nenne alle Faktoren die bei einer Laufzeit von 10 Jahren bei einer Kosten-Nutzenanalyse von Bedeutung sind.
  2. Erstelle eine Präsentation, bei der du die verschiedenen Heizungsarten quantitativ bei einer Laufzeit von 10 Jahren und einem jährlichen Wärmebedarf von 10.000.000 J vergleichst.

Hinweise:
1 J = 1 Ws und 1 kWh = 3600 Ws
Bei der Erdwärme wird aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme gewonnen.

Ideen:

  1. Faktoren: Bedarf, Energie-/Brennstoffkosten, ökologische Aspekte, Heizwert Hi in kJ/kg, Lieferkosten, Anschaffungskosten, Wartungskosten, Effizienz der Anlage



Wortliste und Satzbausteine



der Gle­tscher, ~ große Eis­massen in den Bergen.
der Ozean, -e das Meer
der Aggregat­zustand, -"e Die Zustände des Wasser: fest, gasförmig, flüssig.
der Körper, ~ ein Gegenstand.
der Schmelz­punkt, -e Temperatur bei der Eis flüssig wird.
der Siede­punkt, -e Temperatur bei der Wasser gasförmig wird.
flüssig ein nasser Aggregatzustand
gas­förmig ein unsichtbarer Aggregatzustand
fest ein trockener Aggregatzustand
konden­sieren Übergang von gasförmig zu flüssig
erstar­ren Übergang von flüssig zu fest (auch: gefrieren)

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