Wärmelehre. Versuch. Temperatur und Temperaturmessung

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1 Wärmelehre Die Wärmelehre ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Temperatur von Körpern, der Zufuhr und Abgabe von Wärme und den damit verbundenen Temperaturänderungen, der Wärmeübertragung und den Wärmekraftmaschinen (z.b. Verbrennungsmotoren, Turbinen, Dampfmaschinen) beschäftigt. Wir wollen in dieser Themeneinheit lernen, was Temperatur ist und wie man sie messen kann, wie man die Ausdehnung von Festkörpern und Flüssigkeiten erklären kann, welche besonderen Eigenschaften der uns wohl vertraute Stoff Wasser besitzt. Versuch Halte eine Hand in ein Gefäß mit kaltem Wasser, die andere Hand in ein Gefäß mit (sehr) warmem Wasser. Tauche anschließend beide Hände in ein Gefäß mit lau warmem Wasser. Beschreibe, was du empfindest. Unser Temperaturempfinden lässt sich täuschen; es ist stark subjektiv 1. Wir brauchen daher eine objektive 2 Temperaturmessung. Temperatur und Temperaturmessung In allen europäischen Staaten werden Temperaturen heute einheitlich in Grad Celsius ( C) gemessen. Bei der Festlegung der Celsiusskala spielen zwei Temperaturen eine wichtige Rolle: Die Schmelztemperatur von Eis: t Sch = 0 C Das ist die Temperatur, bei der Eis vom festen in den flüssigen Aggregatzustand (Wasser) übergeht. Die Siedetemperatur von Wasser: t Sie = 100 C. Das ist die Temperatur, bei der Wasser vom 1 Von persönlichen Gefühlen bestimmt; beeinflusst 2 Nicht von persönlichen Gefühlen bestimmt; neutral Infokasten: Aggregatzustand Der Aggregatzustand gibt den physikalischen Zustand eines Stoffes an. Man unterscheidet die typischen Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig. Wichtig ist, dass dies verschiedene Zustände ein und desselben Stoffes sind. Welcher Aggregatzustand vorliegt, hängt von der Temperatur und dem Umgebungsdruck ab. 0

2 flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht (Wasserdampf). Diese beiden Temperaturen (t sch und t Sie ) sind unter gewissen Voraussetzungen fest und unveränderlich. Man nennt sie deshalb auch Temperaturfixpunkte (von lat. fixus: fest, unveränderlich). Den Temperaturabstand, den diese beiden Fixpunkte auf einer Thermometerskala haben, nennt man Fundamentalabstand des Thermometers; er wird in 100 gleiche Teile unterteilt. 1 C entspricht also dem 100sten Teil des Fundamentalabstandes. Oberhalb des Siedepunktes von Wasser und unterhalb des Schmelzpunktes von Eis wird die Temperaturskala mit gleichen Schritten fortgesetzt. Temperaturen unterhalb von 0 C beschreibt man mit negativen Zahlen (Bsp.: Im Jahresdurchschnitt herrschen am Nordpol Temperaturen um 20 C). Merke: Wann immer wir Temperaturen in Grad Celsius angeben, schreiben wir t (kleines t). Neben der Celsiusskala, die uns sehr vertraut ist, gibt es auch die sogenannte Kelvinskala, die vor allem in der Wissenschaft und Technik benutzt wird. Die Kelvinskala unterscheidet sich von der Celsiusskala in der Lage ihres Temperaturnullpunktes. Dieser liegt bei der Kelvinskala bei T = 273K, dem tiefsten theoretischen Wert, den man im Universum erreichen kann. Diesen Temperaturpunkt nennen wir absoluten Nullpunkt. Die Temperatureinheit bei der Kelvinskala ist K für Kelvin (Achtung: Bei der Celsiusskala ist die Einheit C, also Grad Celsius). Zwischen der Celsius- und der Kelvinskala gilt also folgender Zusammenhang: oder 0 C = 273K 0K = 273 C In den angelsächsischen Ländern wird häufig die Fahrenheitskala benutzt ( F). Mit der wollen wir uns allerdings jetzt nicht weiter beschäftigen. Merke: Wann immer wir Temperaturen in Kelvin (K) angeben, schreiben wir T (großes T). Flüssigkeitsthermometer Flüssigkeitsthermometer enthalten meist Quecksilber oder Alkohol. Ihr Messbereich ist nach unten durch den Erstarrungspunkt der Flüssigkeit beschränkt (Bei Quecksilber t = 39 C). Nach oben sind dem Messbereich durch die Haltbarkeit des verwendeten Steigrohres Grenzen gesetzt. Bei zu hohen Temperaturen wird es durch die verdampfende Thermometerflüssigkeit auseinander gesprengt. Mit speziellen Flüssigkeitsthermometern lassen sich Temperaturen von 200 C bis etwa 1000 C messen. Das Quecksilber aus einem zerbrochenen Thermometer muss sorgfältig eingesammelt werden. Sonst entstehen beim Verdunsten giftige Dämpfe. 1

3 AUFGABE 1 a) Was versteht man unter einem Aggregatzustand? Welche Aggregatzustände gibt es? Erkläre, wieso die Aussage: Bei Eis, Wasser und Wasserdampf handelt es sich um drei verschiedene Stoffe falsch ist. b) Bei welcher Temperatur t Sch liegt der Schmelzpunkt von Eis? c) Bei welcher Temperatur t Sie liegt die Siedetemperatur von Wasser? d) Wie lauten die Temperaturfixpunkte der Celsiusskala? AUFGABE 2 Abgebildet sind drei Thermometer. Abb. 1 Abb. 2 a) Das linke Thermometer (Abb. 1) hat die Celsiusskala. Der tiefste Strich liegt bei t = 0 C. Skaliere das Thermometer, indem du alle größeren Längsstriche beschriftest, und gib außerdem den Fundamentalabstand zeichnerisch an. b) Veranschauliche mit dem Thermometer in Abb. 1 eine Temperatur von t = 67 C, indem du mit einem farbigen Stift die Flüssigkeitssäule markierst. c) Die beiden rechts abgebildeten Thermometer (Abb. 2) zeigen besondere Temperaturpunkte von Wasser. Das linke Thermometer von beiden habe die Celsiusskala, das rechte Thermometer die Kelvinskala. Beschrifte beide Thermometer mit den entsprechenden Temperaturen der besonderen Punkte. Beschrifte auch die größeren Längsstriche beider Thermometer. AUFGABE 3 Erläutere was zu tun ist, falls aus Versehen ein Quecksilberthermometer zu Bruch gehen sollte. AUFGABE 4 Informiere dich im Internet über zwei weitere Thermometertypen und stelle sie in einem kurzen Text vor. 2

4 Anomalien des Wassers Stehende Gewässer frieren im Winter stets von oben her zu. Das Wasser erstarrt zuerst an der Oberfläche des Gewässers und sinkt nicht nach unten. Während flache Tümpel im Laufe des Winters bis zum Grund durchfrieren, bleibt in tieferen Seen das Wasser unter der dicker werdenden Eisschicht flüssig (die Eisdecke verhindert ein rasches Abkühlen des Wassers). Die Seen weisen eine Temperaturschichtung auf. Direkt unter dem Eis hat das Wasser eine Temperatur von t = 0 C; mit zunehmender Tiefe steigt die Wassertemperatur an und erreicht nach einigen Metern 4 C. Daher können Fische im Winter in Seen überleben. Dass Eis auf Wasser schwimmt und dass sich in stehenden Gewässern eine Temperaturschichtung ausbildet, sind Naturerscheinungen, an denen nichts Außergewöhnliches zu sein scheint. Doch wenn man nach einer Erklärung sucht, stößt man darauf, dass sich Wasser anders verhält als normale Flüssigkeiten: Die meisten Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen gleichmäßig zusammen. Das heißt: Das Volumen einer bestimmten Flüssigkeitsmenge wird mit jedem Kelvin, um das die Temperatur sinkt, um einen bestimmten Betrag kleiner. Die Dichte 1 der Flüssigkeit nimmt entsprechend zu. Warmes Wasser verhält sich genauso. Unterhalb von ca. 20 C zieht es sich aber immer weniger stark zusammen. Bei 4 C hat eine bestimmte Wassermenge schon das kleinste Volumen, das sich überhaupt erreichen kann. Wenn man sie weiter abkühlt, dehnt sie sich aus, d.h. das Volumen wird wieder größer. Demnach hat Wasser bei 4 C seine größte Dichte. Zwischen 4 C und 0 C wird die Dichte bei sinkender Temperatur kleiner. Da dieses Verhalten von der normalen Gesetzmäßigkeit abweicht, spricht man von einer Anomalie des Wassers (griech. Vorsilbe a-: nicht; nomos: Gesetz). 1l Wasser bei 4 C ist somit schwerer als 1l Wasser bei 6 C oder 2 C. Aus diesem Grund kann auf Wasser von 4 C sowohl wärmeres als auch kälteres Wasser schwimmen. Damit können wir erklären, wie es zu der Temperaturschichtung in einem See kommt. Wenn im Herbst und im Winter die Lufttemperaturen sinken, kühlt auch das Wasser an der Oberfläche ab. Wenn das Oberflächenwasser eine geringere Temperatur annimmt als tiefere Wasserschichten, sinkt es ab. Das Oberflächenwasser hat dann ja eine größere Dichte als das übrige Wasser. An seine Stelle tritt wärmeres Wasser aus tieferen Schichten. Dieser Wasseraustausch geht solange weiter, bis der ganze See eine Temperatur von 4 C erreicht hat. Wenn nun das Wasser an der Oberfläche weiter abkühlt (z. B. auf 3 C), sinkt dieses noch kühlere Wasser nicht mehr nach unten es schwimmt sozusagen auf dem Wasser von 4 C. Also nimmt die Wassertemperatur nur an der Wasseroberfläche und in den höheren Wasserschichten ab und nur an der Oberfläche erstarrt das Wasser zu Eis. Dass Eis nicht nach unten sinkt, hängt mit einer zweiten Anomalie des Wassers zusammen. Auch beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand verhält sich Wasser anders als die meisten Stoffe. Normalerweise wird nämlich das Volumen eines Körpers beim Erstarren kleiner. Wenn aber Wasser gefriert, hat das entstehende Eis ein größeres Volumen als das Wasser. Aus 1 Liter Wasser werden 1,1 Liter Eis. Diese Anomalie hat beträchtliche Auswirkungen. Sie trägt z.b. zur Verwitterung von Gesteinen bei: Jeder Feld hat winzige Spalten und Risse. In diese dringt Regenwasser ein, das im Winter gefriert. Dadurch vergrößert sich das Volumen und das Gesteinsmaterial wird sozusagen gesprengt und in kleine Brocken zerlegt. 1 Die Dichte eines Stoffes gibt das Verhältnis seiner Masse zu seinem Volumen an: Dichte = Masse Volumen 3

5 AUFGABE 5 a) Bei welcher Temperatur hat Wasser seine höchste Dichte? b) Wo (im See) hat das Seewasser im Winter eine Temperatur von 0 C? c) Was passiert mit den meisten Flüssigkeiten, wenn man sie abkühlt? Wie verändert sich ihre Dichte? d) Was ist schwerer: 1l Wasser bei 5 C oder 4 C? AUFGABE 6 Erkläre wieso Fische in stehenden Gewässern überwintern können, obwohl die meisten Seen doch zugefroren sind oder Temperaturen nahe des Schmelzpunktes haben. AUFGABE 7 Wieso bildet sich an der Oberfläche des Sees Eis? Wenn man sich die Dichte von Wasser bei 0 C anschaut, müsste die Wasserschicht doch absinken. AUFGABE 8 Erkläre mit eigenen Worten, was unter der zweiten Anomalie des Wassers zu verstehen ist. 4

6 Temperatur im Teilchenmodell Bevor wir die Ausdehnung von Festkörpern verstehen können, müssen wir einen kleinen Einblick auf das sogenannte Teilchenmodell werfen. Sicherlich hast du schon einmal gehört, dass alle Körper aus kleinsten Teilchen, den sogenannten Atomen, bestehen, die auf eine bestimmte, feste Art und Weise nacheinander angeordnet sind und in ihrer Gesamtheit den Festkörper ergeben. Wir stellen uns die Atome wie kleine Kugeln vor, die regelmäßig in einem (gedachten) Gitter angeordnet sind. Nun ist es so, dass die Atome nicht ruhig an ihren festen Plätzen im Gitter sitzen, sondern sich in ständiger Bewegung befinden. Sie schwingen sozusagen hin und her, halten aber aufgrund von Anziehungskräften insgesamt zusammen (sonst würde man ja keinen Festkörper haben). Bei Festkörpern sind die Atome so dicht angeordnet, dass es kaum Platz zwischen den einzelnen Atomen gibt (hohe Dichte). Bei Flüssigkeiten ist der Abstand zwischen den einzelnen Atomen schon deutlich größer, bei Gasen extrem groß (geringe Dichte). Man hat festgestellt, dass die Bewegung, d.h. die Geschwindigkeit der Atome eng mit der Temperatur des Körpers verknüpft ist. Erhöht man die Temperatur des Körpers, so erhöht man die Geschwindigkeit seiner Atome. Diese können, weil sie nun mehr Bewegungsenergie besitzen, die Anziehungskräfte, die die Atome gegenseitig ausüben, überwinden und sich weiter voneinander entfernen. Kühlt man den Körper dagegen ab, werden die Teilchen langsamer. Merke: Die Temperatur eines Körpers gibt uns Auskunft über die Geschwindigkeit seiner Teilchen. AUFGABE 9 Erkläre mithilfe des Teilchenmodells am Beispiel von Wasser den Übergang vom festen in den flüssigen und vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand, wenn man nach und nach die Temperatur erhöht. Folgende Begriffe sollten in deiner Erklärung vorkommen: Atome, Gitterplatz, Geschwindigkeit, Bewegung, Dichte, Anziehungskraft, Temperatur 5

7 Ausdehnung fester Körper beim Erwärmen Wenn zwei Werkstoffe fest miteinander verbunden werden sollen, muss man ihr Verhalten bei Erwärmung genau kennen. Dehnen sich die Stoffe nämlich unterschiedlich aus, kommt es in dem Verbund zu Spannungen, die zu Schäden oder sogar Zerstörung führen können. Beim Erwärmen von Körpern ändert sich immer ihr Volumen. Mithilfe des Teilchenmodells kann man sich dies leicht klarmachen: Während im festen Aggregatzustand (Festkörper) die Atome sich wenig bewegen und eng beieinander liegen, steigt mit zunehmender Temperatur ihre Geschwindigkeit und folglich ihr Bestreben, mehr Volumen einzunehmen. Statt einer Volumenänderung beobachtet man bei einer Temperaturerhöhung meist eine Längenänderung, die vom Material und von der Temperaturerhöhung ΔT abhängt. Dies ist auch verständlich: Materialien, die leicht dehnbar (elastisch) sind, werden sich bei einer Temperaturerhöhung auch leicht ausdehnen; ein Eisenstab wird dies bei gleicher Temperaturerhöhung weniger stark tun. Eine Temperaturerhöhung um ΔT = 1K wird eine schwächere Längenänderung zur Folge haben als eine Temperaturänderung um ΔT = 50K. Beispiel: Erwärmt man einen Eisenstab der Länge l 0 = 1m um ΔT = 10K, so hat er eine Länge von l = 1,00012m. Seine Längenänderung beträgt also 0,12mm. Bei einer Temperaturerhöhung um ΔT = 20K ist die Längenänderung doppelt so groß, bei ΔT = 30K dreimal so groß. AUFGABE 10 Metallstäbe werden beim Erhitzen länger. Werden sie dabei dicker oder dünner (wie ein Gummiband, das man in die Länge zieht) oder bleibt der Durchmesser gleich? Begründe deine Antwort. AUFGABE 11 Erwärmt man ein Flüssigkeitsthermometer, so dehnt sich auch die gläserne Thermometerkugel aus. Was geschähe wohl, wenn sich das Glas stärker ausdehnen würde als die Thermometerflüssigkeit? 6