Berechne die Energiemengen, die notwendig sind, um 100 g Eis zu schmelzen, dann von 0°C auf 100°C zu erwärmen und schließlich vollständig in Dampf umzuwandeln.
Vergleiche diese Energiemengen.
Lösung 796
geg.:
ges.:
E
Die spezifische Schmelzwärme cs gibt an, wieviel kJ notwendig sind, um 1 kg Eis zu Schmelzen. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Temperatur nicht, die gesamte Energie wird verwendet, um die Molekülstruktur des Eises aufzubrechen und es in den flüssigen Zustand zu überführen.
Die spezifische Verdampfungswärme cv gibt an, wieviel kJ notwendig sind, um 1 kg Wasser zu Verdampfen. Wie beim Schmelzen ändert sich dabei die Temperatur nicht. Sie braucht also bei der Berechnung nicht berücksichtigt zu werden.
Antwort:
Um das Eis zu Schmelzen, sind 33,4 kJ notwendig. 41,9 kJ reichen dann aus, um es auf 100°C zu erwärmen. Und 226 kJ braucht man, um dieses Wasser in den gasförmigen Zustand zu überführen.
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Kommt drauf an wie kalt das Eis ist und aus welchem Medium das Eis besteht. Ggf. ist auch der Umgebungsdruck von nöten. Schmelzenthalpie kannst du googeln.
Es fehlt für die Temperatur des Eises für die Gleichung.
Kann Streusalz wirklich Eis schmelzen? Und wie geht das?
Wenn man ein Stück Eis aus dem Gefrierschrank entnimmt und es an einen warmen Ort bringt, dann beginnt es zu schmelzen. Dies heißt, Wasser fester Form geht in Wasser flüssiger Form über. Dazu müssen die Wassermoleküle aus der relativ festen Bindung im Eis unter Energieaufwand in die schwächere Bindung, wie sie zwischen Wassermolekülen im flüssigen Zustand besteht, übergeführt werden. Das Aufbrechen der festen Bindungen erfordert Energie, die das schmelzende Eis seiner wärmeren Umgebung entzieht.
Schmelzendes Eis hat - wie sein umgebendes Schmelzwasser - die Temperatur ϑ = 0°C. Die Umwandlung vom festen Eis in den flüssigen Zustand geschieht also ohne Temperaturänderung.
Versuchsziel
Es soll zunächst die Schmelzenergie \(E_{\rm{s}}\) für ein bestimmtes Stück Eis bestimmt werden (Körpergröße). Anschließend wird daraus die spezifische Schmelzwärme (Materialgröße) \(s =\frac{E_{\rm{s}}}{m_{\rm e}}\) bestimmt.
Versuchsdurchführung
- Das dem Gefrierschrank entnommene Eis wird eine Weile an der Luft liegen gelassen, bis die Oberfläche anschmilzt (wir wollen Eis von 0°C verwenden).
- In das Kalorimetergefäß wird Wasser gefüllt (mw, ϑw, cw)
- Auf die Waage mit der das Eis abgewogen wird, legen wir zunächst ein Filterpapier und darauf das Eisstück. Wir führen die Wägung von Eis und Filterpapier durch (m2), trockenen das Eis gut ab und bringen es dann in das Kalorimetergefäß. Das noch auf der Waage befindliche, feuchte Filterpapier habe die Masse m1. Somit gilt für die Masse des Eises: \(m_{rm e}=m_2-m_1\)
- Das Kalorimeterwasser wird solange umgerührt, bis das Eis ganz geschmolzen ist und sich ein Temperaturminimum ϑm eingestellt hat.
Stelle eine Energiebilanz auf, die es gestattet die Schmelzwärme \({E_{\rm{S}}}\) des Eisstückes zu berechnen.
Der Literaturwert für die spezifische Schmelzenergie von Eis ist \(335\,\rm{\frac{J}{g}}\). Man braucht also \(335\,\rm{J}\), um \(1\,\rm{g}\) Eis von \(0^{\circ}\rm{C}\) in \(1\,\rm{g}\) Wasser von \(0^{\circ}\rm{C}\) umzuwandeln.
Was würde es für die Mischtemperatur bedeuten, wenn man die Eisstückchen nicht abtrocknen würde, sondern das Schmelzwasser auf der Oberfläche des Eises mit in das Kalorimeter bringen würde?
Welche Vernachlässigung hat man bei obiger Rechnung - stillschweigend - gemacht?
| Hinweis: Eis hat im Vergleich zu anderen Substanzen eine relativ hohe spezifische Schmelzwärme. Dies bedeutet, dass man im Vergleich zu anderen Substanzen (vgl. Graphik) relativ viel Energie aufwenden muss, um Eis in den flüssigen Zustand zu überführen. Um den Grund für den hohen Wert der spezifischen Schmelzwärme verstehen zu können, müssen wir einen kleinen Ausflug in die Atomphysik machen. |
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| Die relativ starke Bindung der Eismoleküle lässt sich auf den Dipolcharakter des Wassermoleküls zurückführen. Das Molekül besteht aus zwei Atomen Wasserstoff (H) und einem Atom Sauerstoff (O). Bedingt durch elektrische Kräfte bilden diese Atome das Wassermolekül H2O. Aufgrund der speziellen Lage der Wasserstoffatome in Bezug auf das Sauerstoffatom fallen die Schwerpunkte der positiven und negativen elektrischen Ladung im Molekül nicht zusammen. Man sagt das Wassermolekül hat einen Dipolcharakter. |
Wassermolekül |
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Diesem Dipolcharakter des einzelnen Moleküls ist es zuzuschreiben, dass zwischen den Wassermolekülen eine sogenannte Wasserstoffbrückenbindung entsteht. Diese Brückenbindung zwischen den einzelnen Molekülen ist in der nebenstehenden Zeichnung jeweils durch eine gepunktete Linie symbolisiert. So zieht z.B. das elektronegative Sauerstoffatom des oberen Moleküls ein elektropositives Wasserstoffatom des Moleküls im Zentrum an. Auf diese Weise besitzt ein Wassermolekül vier Wasserstoffbrückenbindungen mit Nachbarmolekülen. Die Wasserstoffbrückenbindung ist der tiefere Grund für den hohen Wert der spezifischen Schmelzwärme von Eis, aber auch für die relativ hohe Schmelz- und Siedetemperatur im Vergleich zu anderen vergleichbaren Stoffen wie Methanol und Ethanol. |
Brückenbindung |