Die Teilchen (Atome/Moleküle), aus denen sich ein Körper (hier

Die Teilchen (Atome/Moleküle), aus denen sich ein Körper
(hier Festkörper) zusammensetzt, sind durch Kräfte sehr fest
aneinander gebunden. Trotzdem schwingen sie um ihre
„Ruhelage“, je nach Temperatur mehr oder weniger heftig.
Die Summe der kinetischen- und potentiellen Energien aller
Teilchen zusammen bezeichnet man als „INNERE ENERGIE“.
Erwärmt man einen Körper, so steigt die „Innere Energie“,
d.h. die Schwingungsbewegungen der Teilchen nehmen zu
(kin. E.) und auch die Teilchenabstände zueinander werden
größer (pot. E.). Die Temperatur eines Körpers ist nichts
anders, als eine Aussage über die Bewegungs- und Lageenergien all seiner Teilchen, aus denen er sich zusammensetzt.
Auch die Bewegungsenergien der Teilchen in Flüssigkeiten
nehmen mit Zufuhr von Wärme zu. Deren Teilchenabstände
(Lageenergien) nehmen untereinander zu, d.h. die
Flüssigkeit dehnt sich aus, das Volumen steigt.
Dies macht man sich zu Nutze bei der Definition der
Temperatur: man definiert den „Erstarrungspunkt“ von
Wasser als 0°C und den „Siedepunkt“ von Wasser als
100°C, und markiert diesen „Fundamentalabstand“ an
dem Steigrohr eines Flüssigkeits-Thermometers.
Auch bei Festkörpern nehmen die Teilchenabstände mit Zufuhr von Wärme ebenso, wie die
kinetischen Energien der Teilchen zu: das
Volumen steigt, Längen ändern sich.
∆ l = α ⋅ l0 ⋅ ∆ ϑ ;
l ges = l 0 + ∆ l
Es gilt:
∆ V = χ ⋅V ⋅ ∆ ϑ ; V = V + ∆ V
0
ges
0
Um das Verhalten eines „Bimetalls“ bei
Erwärmung vorhersagen zu können,
braucht man die „Längenausdehnungskoeffizienten“ der Metalle (vgl. Tabelle)
Wie stark die Bindungskräfte der Teilchen
(Atome/Moleküle) in einem Festkörper
untereinander sind, zeigt der Versuch mit
dem „Bolzen-Sprenger“. Nach Abkühlung
des heißen Messingrohres „zieht es sich
wieder so weit zusammen“, dass der
Eisenbolzen dadurch geknickt wird.
Das Gesetz der Längenänderung bei
Erwärmung wird durch den Versuch
rechts nachgewiesen. Hier wird nach und
nach Wasserdampf als Wärmequelle durch
das Metallrohr geleitet, worauf hin sich die
Länge l0 durch den Anteil l ändert.
∆ l = α ⋅ l0 ⋅ ∆ ϑ ;
l ges = l 0 + ∆ l
Anomalie des Wassers
Anders, als fast alle anderen Flüssigkeiten verhält sich
Wasser nicht „normal“. Im Bereich zwischen 0°C und 4°C
dehnt es sich nicht aus, wie es sollte, sondern es zieht sich
zusammen. Daher ist die Dichte von 4°C-kaltem Wasser
größer, als die von 1°C oder 10°C kaltem Wasser und bleibt
in einem See unten am Boden (- zum Glück aller WasserLebewesen im Winter!!)
Auch das „feste Wasser“=EIS verhält sich nicht, wie es
sollte: es schwimmt auf. Metalle und deren flüssige Partner
tun das nicht, wie fast alle anderen Stoffe.
Wegen der „Anomalie des Wassers“ eignen
sich Flüssigkeitsthermometer mit Wasser
nicht. Sie würden in einem bestimmten
Bereich für verschiedene Temperaturen den
selben Flüssigkeitsstand anzeigen. Deshalb
nimmt man Alkohol oder ähnliches (früher:
Quecksilber)
Wärmetransport: hier: Wärmeströmung
(=Konvektion) Befindet sich eine
Wärmequelle in einer Flüssigkeit, so
ändert sich die Innere Energie dort, die
Dichte sinkt und die warme Flüssigkeit
steigt nach oben. In einem großen
Kreislauf wird die kühlere Flüssigkeit
verdrängt, sie gelangt nach und nach an
die Wärmequelle und der Kreislauf wird
aufrecht erhalten (vgl. Golfstrom)
Wärmetransport: hier: Wärmeleitung
Erwärmt man einen Körper (hier: versch.
Metalle), so kann die Wärme weitergeleitet
werden. Die wird mit der
Teilchenbewegung in dem Festkörper
erklärt, die sich wegen der starken
Bindungskräfte untereinander „fortpflanzt“.