Pneumatisches Feuerzeug
Aufgabenstellung
Ein sogenanntes pneumatisches Feuerzeug wie in der nebenstehenden Abbildung besteht aus einem (für Demonstrationszwecke durchsichtigen) Zylinder mit einem dichtschließenden Kolben. Im Zylinder befindet sich Watte, die mit Grillkohlenanzünder getränkt ist. Zur Entzündung der Watte muss der Kolben sehr schnell in den Zylinder hineingepresst werden.
Beurteilen Sie die Richtigkeit der nachfolgenden Aussagen bezüglich des oben beschriebenen pneumatischen Feuerzeugs.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Beim Hineinpressen des Kolbens wird Arbeit an dem im Zylinder eingeschlossenen Gas verrichtet. | ||
| Die innere Energie des eingeschlossenen Gases bleibt während des Hineinpressens des Kolbens konstant. | ||
| Dieselmotoren nutzen denselben Effekt wie das pneumatische Feuerzeug. | ||
| Das Hineindrücken des Kolbens verringert das Volumen der eingeschlossenen Luft, wodurch sich der Druck erhöht. | ||
| Das im Zylinder eingeschlossene Gas erwärmt sich aufgrund der zugeführten Arbeit. | ||
| Erfolgt das Hineinpressen des Kolbens in den Zylinder zu langsam, so gibt das eingeschlossene Gas einen Teil seiner inneren Energie als Wärme an die Umgebung ab. Die erforderliche Zündtemperatur kann dann nicht mehr erreicht werden. |
Lösung
- Beim Hineinpressen des Kolbens wird Arbeit an dem im Zylinder eingeschlossenen Gas verrichtet.
- Richtig: Beim Hineinpressen muss von außen Kraft aufgewendet werden, um das Gas gegen den Innendruck im Zylinder zu komprimieren.
- Die innere Energie des eingeschlossenen Gases bleibt während des Hineinpressens des Kolbens konstant.
- Falsch: Die zugeführte Arbeit (siehe erste Aussage) geht in innere Energie des Gases über. Da keine Zeit für einen Temperaturausgleich besteht (adiabatischer Vorgang), wird die innere Energie erhöht.
- Dieselmotoren nutzen denselben Effekt wie das pneumatische Feuerzeug.
- Richtig: In Dieselmotoren wird die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch die Temperaturerhöhung während der Kompressionsphase erreicht.
- Das Hineindrücken des Kolbens verringert das Volumen der eingeschlossenen Luft, wodurch sich der Druck erhöht.
- Richtig: Bei einem idealen Gas (was für die eingeschlossene Luft hier angesetzt werden kann), sind Druck und Volumen bei konstanter Temperatur umgekehrt proportional zueinander. Da hier gleichzeitig eine Temperaturerhöhung stattfindet, fällt der Druckanstieg demgegenüber noch stärker aus.
- Das im Zylinder eingeschlossene Gas erwärmt sich aufgrund der zugeführten Arbeit.
- Richtig: Die Temperatur ist ein Maß für die innere Energie des eingeschlossenen Gases. Eine Erhöhung der inneren Energie (siehe oben) führt zur Temperaturerhöhung.
- Erfolgt das Hineinpressen des Kolbens in den Zylinder zu langsam, so gibt das eingeschlossene Gas einen Teil seiner inneren Energie als Wärme an die Umgebung ab. Die erforderliche Zündtemperatur kann dann nicht mehr erreicht werden.
- Richtig: Sobald eine Temperaturdifferenz zwischen eingeschlossenem Gas und Umgebung vorliegt, erfolgt auch eine Wärmeabgabe. Nur sehr schnell ablaufende Vorgänge können als adiabatisch angesehen werden.