8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 1 8 Teilchenbewegung und Temperatur(movimiento (el) de partículas y temperatura, la) 8.1 Molekularkräfte (fuerza (la) intermolecular) A1: Wiederhole, die vier fundamental Kräfte! V1: Zwischen zwei Gläser wird ein Streichholz geklemmt. Die Anordnung lässt sich mit Gummibändern fixieren. A2: Erkläre den Versuch mit Hilfe der entsprechenden fundamental Kraft! Molekularkräfte (auch van der Waalssche Kräfte genannt) sind elektrische Kräfte zwischen benachbarten Molekülen oder Atomen mit geringer Reichweite ( 10-10 m). Abb.1: Wirkung von Molekularkräften A3: Beschreibe die Wirkung von Molekularkräften! Trotz der geringen Reichweite der Molekülkräfte ergeben sich deutliche Effekte: z.b. Kohäsion, Adhäsion, Kapillarität. 8.1.1 Kohäsion Die Wirkung der Molekularkräfte zwischen gleichartigen Molekülen heißt Kohäsion. Wirkung der Kohäsionskräfte: Flüssigkeiten lassen sich nur schwer zusammenpressen. Sie setzen einer Änderung ihres Volumens eine Kraft entgegen und nehmen nach der Kraftausübung wieder ihr ursprüngliches Volumen ein.(volumenelastizität)
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 2 Die Kohäsionskraft bewirkt, dass die Oberfläche einer Flüssigkeit möglichst klein wird. (Oberflächenspannung) Abb.2: Oberflächenspannung A4: Beschreibe die Abb.2! V2: Lege eine leichte Münze auf die Wasseroberfläche! Gib einen Tropfen Spülmittel dazu! A5: Beschreibe den Versuch! A6: Überlege, ob die Münze an ihrer Unterseite nass wird, solange sie auf der Flüssigkeit liegt? 8.1.2 Adhäsion Die Wirkung der Molekularkräfte zwischen verschiedenartigen Molekülen heißt Adhäsion. Wirkung der Adhäsionskräfte: bewirken das Haften verschiedener Stoffe aneinander bewirken das Haften von Flüssigkeiten an festen Körpern von Gasen ab festen Körpern A7: Gib Beispiele dazu an!
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 3 8.2 Ungeordnete Molekularbewegung(movimiento (el) molecular) Unter ungeordneter Molekularbewegung (thermische Bewegung) versteht man die Bewegung einzelner Teilchen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. Abb.1:Unterscheide zwischen kollektiver Bewegung und ungeordneter Bewegung Mittlere Geschwindigkeit von in Luft bei 0 C: 447 m.s -1 8.2.1 Brownsche Bewegung(movimiento (el) browniano ) Darunter versteht man unregelmäßige Bewegung fester kleiner Teilchen in einer Flüssigkeit. V: Löse Tinte in Wasser auf! A1: Beschreibe den Versuch! Abb.2: Brownsche Bewegung: Die Lage des Teilchens wurde alle 30s gemessen. A2: Was passiert mit der Brownschen Bewegung, wenn man die Temperatur steigert?
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 4 8.2.2 Diffusion(difusión, la) Das Eindringen eines Stoffes in einen anderen Stoff heißt Diffusion. A1: Überlege, was könnte die Ursache für die Diffusion sein? Beispiele der Diffusion: Biologie und Medizin Stofftransport innerhalb von Zellen Regulation des Wasserhaushalts von Organismen Gasaustausch bei Atmung und Photosynthese künstliche Niere Technik Dotieren von Halbleiter Diffusionsverfahren zur Trennung von Isotopen Oberflächenbehandlung von Metallen Diffusion von Ladungsträgern in Halbleitern 8.3 Phasenübergänge(cambio o brusco (el) de fase) A1: Nenne die Aggregatzustände die du kennst! Übergänge zwischen zwei Aggregatzuständen nennt man Phasenübergänge. Allgemeiner bezeichnet man jede Änderung des inneren Aufbaus eines Körpers als Phasenübergang: geometrische Anordnung der Moleküle (z.b. Änderung der Kristallstruktur) die Größe der geordneten Bereiche ändert sich (z.b. wird Eisen unter einer bestimmten Temperatur magnetisch, da sich alle Elementarmagnete ausrichten) Auflösung oder Bildung geordneter Bereiche (Schmelzen und Erstarren) Beispiele: Eiswasser besteht aus 2 Phasen: Fester Phosphor kann in drei 3 Phasen auftreten: Eis und Wasser weißer, roter und schwarzer Phosphor
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 5 8.3.1 Latente Wärme Führt man einer Flüssigkeit während des Verdampfens Energie in Form von Wärme zu, wird diese Energie zum Verdampfen und nicht zur Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit verwendet. V: Erwärme Eiswasser und lies die Temperatur in gleichen Zeitabständen ab! A1: Zeichne aus den oben erhaltenen Messwerten ein Zeit-Temperatur-Diagramm und beschreibe und erkläre es! Umgekehrt führt die Abkühlung eines Dampfes zur Verflüssigung (Kondensation). Dabei wird Wärme abgegeben (Kondensationswärme; calor (el) de condensación). Sie ist gleich groß wie Verdampfungswärme. Ähnlich sind die Verhältnisse beim Schmelzen und Erstarren (Schmelzwärme; calor (el) de fusión) und beim Sublimieren (Sublimationswärme; calor (el) de sublimación). Die bei Phasenübergängen auftretende Wärme heißt latente Wärme. A2: Bestimme die spezifische Schmelzwärme von Wasser! Ein Liter Wasser wird auf 80 C erwärmt. Eine kleine Menge Eis (ca.50g) wird im Wasser geschmolzen. Die Temperatur des Wassers wird wieder gemessen. Aus der Temperaturdifferenz kann man die spezifische Schmelzwärme des Wassers bestimmen. (Q = m.c. T) 8.3.2 Verdunsten, Siedepunkt(punto (el) de ebullición) und äußerer Luftdruck(presión (la) del aire o neumática) Verdunsten (evaporar, volatilizar) Verdunsten ist verdampfen unter dem Siedepunkt. Beim Verdunsten treten an der Flüssigkeitsoberfläche die schnellsten Teilchen durch thermische Bewegung in die Umgebung. Abb.1: Verdunsten A1: Was passiert mit der Temperatur der Flüssigkeit beim Verdunsten? A2: Wo wird das Verdunsten angewandt?
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 6 A3: Wie kann man das Verdunsten beschleunigen? A4: Ist der Dampf heißer als die siedende Flüssigkeit? A5: Beweise deine Antwort durch einen Versuch! Sieden (hervir) Sättigungsdampfdruck: Wenn sich eine Flüssigkeit und ihr Dampf in einem abgeschlossenen Gefäß befinden, erhält man nach einer gewissen Zeit einen stabilen Zustand. Wir nennen diesen Zustand ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Dampf und Flüssigkeit. Man spricht von einem gesättigten Dampf. Den Druck den der gesättigte Dampf auf die Flüssigkeit ausübt nennt man Sättigungsdampfdruck (presión (la) del vapor). Dieser wirkt sowohl in der Flüssigkeit als auch im Dampf. Der Sättigungsdampfdruck ist vom Volumen unabhängig. Er hängt nur von der Temperatur ab. Er nimmt mit der Temperatur zu. Bei 100 C erreicht er etwa 1 bar. Abb.2: Dampfdruckkurve von Wasser Überall wo der Sättigungsdampfdruck mindestens so groß ist wie der Druck der Umgebung, siedet die Flüssigkeit. Wenn sich Dampfblasen (burbuja (la) de vapor) in der Flüssigkeit entstehen, dann siedet die Flüssigkeit.
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 7 V: Bringe Wasser durch erwärmen in einem verschlossenen Kolben zum Sieden! Stoppe die Energiezufuhr. Das Wasser siedet nicht mehr. Schütte kaltes Wasser über den Kolben! A3: Was kannst du beobachten? Erkläre das was du gesehen hast! V: Bringe wenig Wasser in einem Rundkolben mit Stoppel und Steigrohr zum Sieden. Drehe den Kolben und gib das Steigrohr in eine kalte gefärbte Flüssigkeit! A4: Was beobachtest du? Erkläre den Versuch!
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 8 8.3.3 Zustandsdiagramm(diagrama (el) de fase o de equilibrio) Diagramme, aus denen man ablesen kann, in welcher Phase sich ein Stoff bei gegebenen Druck und Temperatur befinden, heißt Zustandsdiagramm oder Phasendiagramm! Abb.1: Zustandsdiagramm von Wasser A1: Erkläre die Begriffe Sublimations-, Dampfdruck- und Schmelzkurve! Über der kritischen Temperatur(temperatura (la) crítica o de ignición (plasma))(374,15 C bei Wasser) ist keine Unterscheidung zwischen Flüssigkeit und Gas mehr möglich. Gase lassen sich nur unterhalb ihrer kritischen Temperatur verflüssigen über dieser Temperatur ist die thermische Bewegung der Teilchen so groß, dass sie sich auch bei großen Drücken nicht mehr verflüssigen lassen. Beim Tripelpunkt (0,01 C, 610Pa) stehen die drei Phasen im Gleichgewicht.
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 9 8.3.4 Luftfeuchtigkeit(humedad (la) del aire) A1: Was versteht man unter Luftfeuchtigkeit? Wasser verdunstet ständig und gibt Wasserdampf an die Atmosphäre ab. Aber die Luft kann nicht unendlich viel Wasserdampf aufnehmen. Die Wasserdampfmenge, die ein Kubikmeter Luft bei einer bestimmten Temperatur maximal aufnehmen kann, Sättigungsmenge. Abb.1: Luft kann umso mehr Wasserdampf aufnehmen, je höher die Temperatur ist. Der Taupunkt ist jene Temperatur, bei der in einer sich abkühlenden Luft Sättigung mit Wasserdampf und Kondensation eintritt. A2: Was versteht man unter relativer Luftfeuchtigkeit!
8 Teilchenbewegung und Temperatur Hofer 10 8.3.5 Anomalie des Wassers (anomalía (la) del agua) Abb.1: Änderung von Volumen und Dichte des Wassers beim Erwärmen A1: Welches Verhalten zeigt Wasser von 0 C beim Erwärmen? A2: Welches Verhalten zeigt Wasser beim Gefrieren? A3: Welches Temperaturverhalten zeigt ein See im Winter, welches im Sommer? A4: Welche Folgen hat die Anomalie des Wassers?