Temperatur und Ausdehnung von Stoffen
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WÄRMELEHRE WÄRMELEHRE Temperatur und Ausdehnung von Stoffen • Wärme ist eine Form von Energie • jeder Körper hat einen bestimmten Wärmezustand = Temperatur • der Wärmezustand bestimmt den Aggregatzustand des Körpers Wärmeempfindung Wärmeempfindung ist je nach Gegebenheit verschieden: V: kaltes Wasser li Hand↑ lauwarmes Wasser ↑li re↑ heißes Wasser ↑re Hand Die linke Hand wird das lauwarme Wasser als warm empfinden, die rechte Hand wird das lauwarme Wasser als kühl empfinden- 1 WÄRME/2 Wärmeausdehnung von Gasen Beim Erwärmen dehnen sich Gase aus: die Gasteilchen bewegen sich schneller und sind bestrebt, einen größeren Abstand voneinander zu haben. Beim Erwärmen dehnt sich die Luft aus; beim Abkühlen steigt das Wasser in den Glaskolben, weil sich die vorhandene Luft zurückzieht. V: Einer leeren Flasche, die im Eiskasten abgekühlt worden war, wurde ein Luftballon übergestülpt. Wenn diese Flasche dann erwärmt wird, dehnt sich die in der Flasche vorhandene Luft aus und ‘bläst’ den Luftballon auf → die Luft braucht mehr Platz. WÄRME/3 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten Auch Flüssigkeiten dehnen sich beim Erwärmen aus. In der Praxis sehen wir das immer wieder: • übervolle Benzintanks neigen im Sommer zum Überlaufen • Beim Aufheizen des Wassers müssen Boileranschlussventile tropfen Wärmeausdehnung von Feststoffen Sogar Festkörper dehnen sich beim Erwärmen aus. V: Ein erhitzter Nagel ist um einige Millimeter länger als im kalten Zustand. V: Vor dem Erwärmen passt die Kugel gerade noch durch den Ring. Nach dem Erwärmen ist die Kugel ‘zu groß’ → Volumsänderung bei Erwärmung WÄRME/4 Auch das sehen wir in der Praxis immer wieder: • im Sommer hängen Hochspannungsleitungen stärker durch als im Winter • Dehnungsfugen bei Autobahnen und Schienen • Dehnungsschleifen bei Rohrleitungen • Bei spröden Materialien (z. B. Glas) kann eine plötzliche Temperaturänderung zum Bruch des Gegen standes führen. VORSICHT! Temperaturmessung Die Temperatur ist ein Maß für den Wärmezustand und damit für das Ausmaß der Teilchenbewegung in einem Stoff. Die Temperaturmessung erfolgt mit dem Thermometer. Meist sind Flüssigkeitsthermometer und Bimetallthermometer in Verwendung. • z. B. Fieberthermometer = Flüssigkeitsthermometer Flüssigkeit = Quecksilber (Hg) gefährlich ! Die Temperaturanzeige bleibt auch nach dem He rausnehmen gleich; beim Abkühlen zieht sich das WÄRME/5 Quecksilber zusammen, in der Verengung reißt der Quecksilberfaden und dadurch bleibt die Temperatur angezeigt. Durch Schütteln wird das Quecksilber wieder durch die Verengung gedrückt. • Bimetallthermometer Bimetall = zwei verschiedene Metalle Ein Metall dehnt sich bei Erwärmung stärker aus als das andere. Fe ..... Eisen Al ..... Aluminium Erwärmung: Al dehnt sich stärker aus, wird länger Abkühlung: Al zieht sich stärker zusammen, wird kürzer In wärmetechnischen Geräten (z. B. Bügeleisen, Kühlschrank, Feuermelder ...) werden Bimetalle als Thermostat verwendet - Bimetalle schließen den Stromkreis. offen geschlossen WÄRME/6 WÄRMEQUELLEN a) natürliche Wärmequellen: .) Sonne .) heiße Quellen, Vulkane b) künstliche Wärmequellen: (= Gegenstände, die verbrannt werden müssen, um Wärme abzugeben) Heizwert = jene Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung von 1 kg des Brennstoffes frei wird Beim Verbrennen werden Stoffe dichter, Bindungsenergie wird frei → WÄRME (gemessen in Megajoule [= MJ] Holz ..................... 15 MJ Stadtgas ................ 18 MJ Braunkohle ........ 20 MJ Dieselöl .................. 42 MJ Steinkohle ........... 33 MJ Wasserstoff ............ 126 MJ c) elektrische Wärmequellen: .) in Kernreaktoren wird Kernenergie erzeugt 1 kg Uran spaltet 1 000 000 000 MJ 1 Milliarde !!! .) Sonnenkollektoren: Strahlungsenergie wird in Wärmeenergie umgesetzt WÄRME/7 Ausbreitung von Wärme 1) Wärmeströmung a) Dampfheizung: im Heizkörper kühlt Dampf ab, bildet sich zurück zu Wasser, fließt zurück in den Kessel, wird erhitzt, wandelt sich in Dampf um, Dampf kühlt im Heizkörper ab ... b) Warmwasserheizung: wie bei der Dampfheizung, nur wird hier warmes Wasser (statt Dampf) mit einer Pumpe in die Heizkörper transportiert. Auch in der Luft (= Gas) gibt es eine Wärmeströmung: Kerze in die Nähe eines Heizkörpers → Flamme neigt sich zum Heizkörper, weil Luft aufsteigt, kalte Luft wird ‘nachgezogen’ 2) Wärmeleitung Cu (= Kupfer) Stab + Wachskugeln V: Wachskugeln fallen der Reihe nach vom Kupferstab .) gute Wärmeleiter Fe (= Eisen) Glas Eisen leitet besser als Glas WÄRME/8 Verschiedene Stoffe leiten Wärme besser als Luft: (Luft ................... 1 x) Wasser .................. 20 x lockere Watte ..... 2 x Glas ...................... 30 x Federn ................ 3 x Eisen .................... 3 500 x Filz ..................... 4 x Kupfer ............... 18 000 x Alkohol .............. 8 x Silber ................. 20 000 x Praxis: .) Wassertropfen auf heißer Herdplatte: Dampfschicht hebt Tropfen - lässt ihn ‘tanzen’ .) Türschnalle leitet Wärme besser ab als Türe ! Schnalle fühlt sich kälter an .) Anfrieren der Haut an Metallteilen: Metall leitet Wärme besser .) H2O 80°C Watte 80°C ins Wasser kann man nicht hineingreifen, in die Watte schon WÄRME/9 3) Wärmestrahlung: • Körper mit dunkler Oberfläche nehmen die Wärmestrahlen stärker auf, als solche mit heller, glänzender Oberfläche [ABSORBIEREN]. • Körper mit dunkler Oberfläche strahlen die Wärme stärker als helle, glänzende Oberflächen [EMITTIEREN]. Praxis: .) dunkle Kleidung ist im Sommer schlecht .) Schneedecke hält den Boden warm .) Thermosflasche: innen verspiegelt, Wärmestrahlung wird reflektiert (= zurückgeworfen) WÄRME/10 Man kann die Temperatur in Grad Celsius (° C) oder Kelvin angeben: 0 K = -237° C. In England und Amerika verwendet man die Temperaturskala nach Fahrenheit. Der Gefrierpunkt des Wassers liegt bei 32° F und der Siedepunkt bei 212° F. Wir brauchen Thermometer für " Lufttemperatur – Wetterbericht " Wassertemperatur im See, Badewanne, Schwimmbecken " Körpertemperatur (Fieber) " beim Experimentieren zum Feststellen des Siedepunktes und des Schmelzpunktes " beim Kochen und Backen " in der Wohnung für Heizung, Kühlschrank, Tiefkühltruhe Unter Temperatur versteht man den Wärmezustand eines Körpers. Dieser hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit der kleinsten Teilchen des Stoffes ab. Alle Stoffe vergrößern beim Erwärmen ihr Volumen und verringern es beim Abkühlen. Wasser ist eine Ausnahme. Es dehnt sich auch beim Abkühlen unter 4° C wieder aus (= Anomalie des Wassers). WÄRME/11 Die Ausdehnung von gefrierendem Wasser führt zu Schlaglöchern und Sprüngen in Felsen und Bauwerken. Die Wärmeausdehnung berücksichtigt man durch Dehnfugen, Dehngefäße, Rolllager, Dehnungsschleifen, Ausgleichventile ... Kern der Sonne 15 000000° ... Oberfläche der Sonne .... 6 000° Wolframglühfaden 2 800° ....... Glühdraht der Glühbirne .. 2 500° Schmelzpunkt Eisen 1 535° Bunsenbrenner .... ........... 1 300° Streichholzflamme ........ 800° Papier fängt Feuer 284° Bügeleisen ....... (Leinen) ...... 240° 0° -20° H2O (siedet) ........... 100° Körpertemperatur -39° ........ 36,5° 0° -112° -191° -183° -219° Wasser (gefriert) Tiefkühltruhe Quecksilber erstarrt Alkohol erstarrt Luft wird flüssig Sauerstoff wird flüssig Sauerstoff wird fest -273,15° punkt absoluter Null- WÄRME/12 Der Englische Physiker, Lord Kelvin hat eine Temperaturskala festgelegt, die mit Null Kelvin (0 K) beim absoluten Nullpunkt beginnt. Dieser liegt bei – 273,15° C. Damit entspricht der Siedepunkt des Wassers (bei 100° C) der Temperatur von 373,15 K. minus 273 ° Celsius Kelvin plus 273
