Luftpumpe
Aufgabenstellung
Mit einer Luftpumpe soll ein Fahrradreifen aufgepumpt werden. Wenn der Kolben der Luftpumpe in den Pumpenzylinder hinheingedrückt wird, dichtet er diesen vollständig ab, sodass die Stoffmenge der eingeschlossenen Luft konstant bleibt. Bei Herausziehen des Kolbens hingegen ist dieser nicht dicht, sodass neue Luft von außen in den Pumpenzylinder gelangt. Zudem verhindert ein sogenanntes Rückschlagventil das Zurückströmen von Luft aus dem Fahrradreifen in die Luftpumpe.
Die folgenden Aussagen betrachten diesen Vorgang aus physikalischer Sicht. Bewerten Sie deren Richtigkeit.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Beim Hineindrücken des Pumpenkolbens wird Arbeit an der eingeschlossenen Luft verrichtet. | ||
| Je größer der Druck im Innenraum der Luftpumpe ist, umso mehr Kraft muss auf den Kolben ausgeübt werden, um ihn in den Pumpenzylinder hinein zu pressen. | ||
| Das Hineindrücken des Pumpenkolbens ändert die innere Energie der eingeschlossenen Luft nicht. | ||
| Die eingeschlossene Luft erwärmt sich, wenn der Pumpenkolben hineingedrückt wird. Dieser Effekt ist umso stärker, je schneller das Hineindrücken geschieht. | ||
| Die in der Luftpumpe eingeschlossene Luft wird nicht komprimiert, sondern ohne Druckänderung in den Fahrradreifen „verschoben“. | ||
| Das Hineindrücken des Pumpenkolbens verringert das Volumen der eingeschlossenen Luft, wodurch sich der Druck erhöht. |
Lösung
- Beim Hineindrücken des Pumpenkolbens wird Arbeit an der eingeschlossenen Luft verrichtet.
- Richtig: Die eingeschlossene Luft muss soweit komprimiert werden, dass ihr Druck den Innendruck im Reifen übersteigt.
- Je größer der Druck im Innenraum der Luftpumpe ist, umso mehr Kraft muss auf den Kolben ausgeübt werden, um ihn in den Pumpenzylinder hinein zu pressen.
- Richtig: Je größer der Druck im Reifen, umso größer ist auch der Druck, der in der Luftpumpe erreicht werden muss. Dieser Druck wiederum wirkt von innen auf den Pumpenkolben.
- Das Hineindrücken des Pumpenkolbens ändert die innere Energie der eingeschlossenen Luft nicht.
- Falsch: Die an der eingeschlossenen Luft verrichtete Kompressionsarbeit erhöht deren innere Energie, was zu einer Erwärmung führt.
- Die eingeschlossene Luft erwärmt sich, wenn der Pumpenkolben hineingedrückt wird. Dieser Effekt ist umso stärker, je schneller das Hineindrücken geschieht.
- Richtig: Die Erwärmung ist eine Folge der an der eingeschlossenen Luft verrichteten Kompressionsarbeit. Je schneller diese erfolgt, umso weniger Zeit bleibt der Luft, Wärme an die Umgebung abzugeben (annähernd adiabatischer Prozess).
- Die in der Luftpumpe eingeschlossene Luft wird nicht komprimiert, sondern ohne Druckänderung in den Fahrradreifen „verschoben“.
- Falsch: Um Luft in den Fahrradreifen zu bringen, muss dessen Innendruck überwunden werden. In der Luftpumpe muss die Luft mindestens auf diesen Druck komprimiert werden.
- Das Hineindrücken des Pumpenkolbens verringert das Volumen der eingeschlossenen Luft, wodurch sich der Druck erhöht.
- Richtig: Aus der Zustandsgleichung kann abgelesen werden, dass Volumenverringerungen zu einer Druckzunahme führen.