Wie rechnet man das?

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Die Schmelzwärme von Eis beträgt 334 J/g. Ohne diesen Zahlenwert kann man nichts rechnen; die Wärmekapazität von Wasser ≈ Orangensaft ist natürlich c= 4.18 J g¯¹ K¯¹, und wir nehmen auch an, daß 1 cm³ = 1 ml ≈ 1 g.

Gedanklich zerlegen wir den Gesamtvorgang in ein paar Einzelschritte. Das ist nicht unbedingt notwendig, aber für die meisten Leute einfacher und weniger fehleranfällig, als wenn man eine große Gleichung herleitet und sie nach der Endtemperatur auflöst.

Zuerst betrachten wir den Schmelzvorgang: Wir haben 50 g Eis, das verbraucht beim Schmelzen Q = 50⋅334 = 16.7 kJ. Damit kann man die m=300 g Orangensaft um ΔT=Q/⁠(mc)=13.3 K abkühlen, es hat also nur noch 16.7 °C.

Wir haben also jetzt mₛ=50 g Schmelzwasser von Tₛ=0 °C plus mₒ=300 g Orangensaft von Tₒ=16.7 °C, und wollen die Mischungstemperatur wissen. Da die Wärmekapazi­tä­ten gleich sind, kann man das einfach als über die Massen gewichteten Mittelwert be­rech−nen; die Summenmasse ist ja mₜₒₜ=mₛ+mₒ=350 g.

T = mₛ/mₜₒₜ⋅Tₛ + mₒ/mₜₒₜ⋅Tₒ = 50/350 ⋅ 0 + 300/350 ⋅ 16.7 = 14.3 °C

In diesem Fall ist der gewichtete Mittelwert besonders einfach, weil eine Komponente die Temperatur 0 °C hat und daher nichts beiträgt

Wenn man diesen Schnelltrick nicht kennt, dann wird es etwas lästiger. Das Schmelz­wasser nimmt genausoviel Wärme auf wie der Orangensaft abgibt. Wenn wir die noch unbekannte Mischungstemperatur mit Tₘ bezeichnen dann nimmt das Schmelz­was­ser die Wärmemenge Qₛ=cmₛ(Tₘ−Tₛ) auf und der Orangensaft gibt Qₒ=cmₒ(Tₒ−Tₘ) auf. Die beiden kann man gleichsetzen und dann nach Tₘ auflösen (die Wärme­kapa­zität kürzt sich dabei heraus):

cmₛ(Tₘ−Tₛ) = cmₒ(Tₒ−Tₘ)

mₛTₘ − mₛTₛ = mₒTₒ − mₒTₘ

Tₘ = (mₒTₒ + mₛTₛ) / (mₛ+mₒ) = 14.3 °C

Die Formel ist natürlich dieselbe, daher gibt es auch dasselbe Ergebnis.