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Abkühlungsgesetz von Newton

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Aufgabe

Newton’s Abkühlungsgesetz beschreibt die Wärmezunahme bzw. -abnahme einer Tasse kalten oder heissen Wassers, die zur Zeit t = 0  in einen grossen Raum mit konstanter Raumtemperatur gestellt wird. Bezeichnet T(t)  die Temperatur des Wassers in Grad Celsius zur Zeit t  in Minuten und beträgt die Raumtemperatur 25o , so liefert die Differentialgleichung

T '(t) = -0.01(T - 25)
eine gute Modellbeschreibung des Temperaturverlaufs.
  1. In drei bis fünf ausformulierten Sätzen soll erläutert werden, warum es sich bei obiger Differentialgleichung um eine sinnvolle Beschreibung handelt.
  2. Wie sieht das Richtungsfeld der Differentialgleichung in einem für kalte oder heisse Tassen Wasser relevanten Bereich aus?
  3. Nach wieviel Minuten hat sich eine zu Beginn   o
80 heisse Tasse Wasser auf 4 o
0 abgekühlt?

Lösung

  1. Die Temperatur der Tasse Wasser nähert sich der Raumtemperatur an und zwar umso schneller, je grösser die Temperaturdifferenz T - 25  ist. Bei einer Wassertemperatur unter 25o ist die Temperaturzunahme positiv, was durch das negative Vorzeichen - 0.01  garantiert wird.
  2. -
  3. t  ~~  130