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Wärmelehre (1)

Hier findest du alle Inhalte zur Unterrichtseinheit.

Allgemeine Hinweise zu den Themenseiten

 

Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.

 

Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.

 

Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Zu den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.


Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de


Inhalt - Wärmelehre

 

Teil 1:

Was ist "Wärmelehre"?

Arbeitsblatt – Temperaturen messen

Das Teilchenmodell (Kugelmodell)

Der Ölfleckversuch

Flüssigkeiten erwärmen und abkühlen

Thermometerskalen (1)

Flüssigkeiten erwärmen und abkühlen (2)

Temperatur im Teilchenmodell

Temperatur und Energie

Was ist Energie?

→ Teil 2:

Thermometerskalen (2) - Die Kelvinskala

Wann siedet Wasser?

Feste Köper erwärmen und abkühlen (1)

Anwendung: Temperaturausdehnung bei Brücken

Feste Köper erwärmen und abkühlen (2)

Gase erwärmen und abkühlen

Die Anomalie von Wasser

Wärmetransport (1) - Wärmeleitung / Wärmedämmung

Wärmetransport (2) - Wärmemitführung (Konvektion)

Wärme speichern (1)

Wärme speichern (2)

Wärmetransport (3) - Wärmestrahlung

 

Physik: Skriptsammlung

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Publikationen


Hinweis zur Printausgabe (ISBN 978-3-744-873949): Bitte Korrekturhinweise beachten 

Korrekturen (Skript-Wärmelehre)

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung der Grundlagen der Thematik und stellen den Stoff inhaltlich zusammenhängend dar. Den Schülern soll die Struktur der physikalischen Themenbereiche somit im Rahmen des Physikunterrichts der Mittelstufe deutlich vermittelt werden.




Infotext - [01] Wärmelehre


Die Wärmelehre oder Thermodynamik (von altgriechisch thermós, deutsch ‚warm‘, sowie dýnamis, deutsch ‚Kraft‘) ist eine natur- und ingenieurwissenschaftliche Disziplin. Sie hat ihren Ursprung im Studium der Dampfmaschinen und ging der Frage nach, wie man Wärme in mechanische Arbeit umwandeln kann. Dazu beschreibt sie physikalische Systeme und deren Zustandsübergänge (→Aggregatszustände). Als Ingenieurwissenschaft hat sie für die verschiedenen Möglichkeiten der Energieumwandlung Bedeutung und für das Verhalten von Stoffen. Als Begründer gilt der französische Physiker Sadi Carnot, der 1824 seine wegweisende Arbeit schrieb.

Die Wärmelehre befasst sich einerseits mit verschiedenen Prozessen ohne auf die Besonderheiten der daran beteiligten Stoffe einzugehen. Andererseits macht sie Aussagen über Stoffe wie die verschiedenen Aggregatzustände und ihren Wechsel (schmelzen, sieden, verdampfen …) oder chemische Reaktionen, die sehr stark von den jeweiligen Stoffen abhängen.
Aggregatzustände sind fundamentale Erscheinungsformen von Materie. Die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig lassen sich leicht anhand ihrer unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften identifizieren. Die Überführung eines Stoffes in einen anderen Aggregatzustand erfolgt durch eine Zustandsänderung, etwa durch eine Änderung der Temperatur oder des Volumens. 


Es gibt drei Aggregatzustände:

  • fest: Ein Stoff behält Form als auch Volumen bei.
  • flüssig: Hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig.
  • gasförmig: Die Volumenbeständigkeit entfällt, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus.

Übergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen: (Alle Übergänge können am Beispiel Wasser im Alltag beobachtet werden.)

  • Schmelzen: Bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur wird Schnee oder Eis im Frühjahr flüssig. 
  • Erstarren: Kühlt Wasser unter den Gefrierpunkt ab, bilden sich Eiskristalle, die mit der Zeit immer größer werden, bis die Oberfläche mit einer Eisschicht überzogen ist.
  • Verdampfen: Wird Wasser im Kochtopf über seine Siedetemperatur erhitzt, so wird das Wasser gasförmig. Die aufsteigenden Blasen sind der Wasserdampf. (Verdunstung, der Übergang von flüssig in gasförmig ohne Erreichen der Siedetemperatur, ist bei Wasser auf einer Straße zu beobachten.)
  • Kondensieren: Beim Duschen „beschlägt“ der Spiegel im Badezimmer. Wasserdampf ist dabei, durch die niedrige Temperatur des Spiegels, in den flüssigen Zustand überführt worden.

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

1) Auf Folie [01] sind vier Wärmequellen genannt. Nenne fünf weitere Wärmequellen.
2) Was ist die wichtigste Wärmequelle für uns Menschen? Begründe deine Entscheidung.
3) Für die Änderung des Aggregatzustands eines Körpers haben wir Fachbegriffe notiert. Nenne jeweils den Fachbegriff und ein Beispiel aus dem Alltag bei dem dieser Übergang zu beobachten ist.
4) Es gibt verschiedene Thermometertypen. Nenne einige Beispiele und nenne den jeweiligen Einsatzort. Worin unterscheiden sie sie sich?


Aufgaben:

1) Wozu benötigen wir eigentlich Thermometer? Wir haben doch ein Temperaturempfinden.
2) Bis zur nächsten Physikstunde sollen die Frühtemperaturen ermittelt werden. Gehe dafür morgens auf den Balkon oder in den Garten. Ermittle zunächst einen Schätzwert und überprüfe ihn dann mit einem Thermometer. Notiere deine Ergebnisse eine Woche lang.
3) Die Temperatur einer Kerzenflamme oder einer Heizplatte in der Küche sollte man nicht mit dem Temperaturempfinden ermitteln. Der Körper würde mit großen Schmerzen darauf reagieren. Warum ist das gut, dass unser Körper so reagiert?

Seifenblase einfrieren [1:51]

Der Winter 2018 machte es möglich!

Eine einfache Seifenblase wird am 27. Feb. 2018 bei -10°C in Kaiserslautern eingefroren.

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Infotext - Das Teilchenmodell


Das Teilchenmodell ist eine der einfachsten Modellvorstellungen zum Aufbau der Materie. Es beruht auf der Grundannahme, dass ausgedehnte Körper aus vielen einzelnen Teilchen bestehen, die erst durch ihr Zusammenwirken die Eigenschaften entstehen lassen, die sich in den makroskopischen Zuständen und Vorgängen zeigen (Begriffserklärung: Makroskopisch → mit bloßem Auge sichtbar, Mikroskopisch → nur mit Gerät zur Vergrößerung, z. B. Lupe oder Mikroskop, sichtbar). Als (nahezu) unveränderliche Teilchen dieser Art wurden die Atome identifiziert. Ihre Anzahl übertrifft schon bei kleinen makroskopischen Körpern leicht die Größenordnung einer 23-stelligen Zahl. 

 

Erklärungen mit Hilfe des Teilchenmodells

Das Teilchenmodell geht davon aus, dass die Teilchen eines reinen Stoffs alle identisch zueinander sind. Sie unterscheiden sich aber von den Teilchen anderer Stoffe, zum Beispiel in ihrer Größe, Form oder Masse. Über den inneren Aufbau der Teilchen wird keine Aussage gemacht.

Im einfachsten Ansatz werden die Teilchen als harte Kugeln dargestellt. Dieses Teilchenmodell ist schon geeignet für die Beschreibung der Körper im gasförmigen Zustand. In der nächsten Stufe des Modells werden Teilchen angenommen, die sich nach festen Regeln mit anderen Teilchen stabil verbinden können. Schließlich wird das Teilchenmodell dadurch erweitert, dass die Teilchen bei starker Annäherung abstoßende und bei mittlerer Entfernung anziehende Kräfte aufeinander ausüben können. Unter anderem lassen sich folgende Beobachtungen im Rahmen dieses Teilchenmodells erklären:

  • Mechanische Festigkeit von festen Körpern
  • Leichte Verformbarkeit von Flüssigkeiten und Gasen.
  • Die Aggregatzustände (fest, flüssig, Gasförmig) und deren Umwandlung ineinander. Sie werden bestimmt durch die Anziehung der Teilchen zueinander. 
  • Die Komprimierbarkeit der Gase durch große Abstände zwischen den Teilchen.
  • Bei Flüssigkeiten und Feststoffen kann das Volumen fast gar nicht verringert werden, weil die Teilchen bereits nahe beieinander sind.

 

„Die wichtigste Erkenntnis der Physik“

Um die Bedeutung des Teilchenmodells gebührend zu würdigen, stellte der große Physiker Richard Feynman ( 1918 – 1988, US-amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger für Physik 1965) die Frage, welche Erkenntnis der Physik es wert sei, der Nachwelt überliefert zu werden, wenn man nur Gelegenheit zu einem einzigen Satz hätte. Seine Antwort:
„Alle Dinge bestehen aus Atomen - kleinen Teilchen, die sich ewig bewegen, einander anziehen, wenn sie etwas Abstand haben, jedoch abstoßen, wenn sie gegeneinandergedrückt werden.“

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

1) Zwei verschieden Gase werden in einen abgeschlossenen Raum eingeleitet. Beide Gase vermischen sich ganz von selbst, warum ist das so? Erkläre mit Hilfe der Aggregatzustände.
2) Ein Stück Metall soll verformt werden. Dazu muss man es erst erhitzen. Dadurch geht es viel leichter. Warum ist das so?
3) Was genau ändert sich für die Teilchen eines festen Stoffes bei steigender, bzw. sinkender Temperatur?
4) Was genau ändert sich für die Teilchen eines flüssigen Stoffes bei steigender, bzw. sinkender Temperatur?

Infotext - Der Ölfleckversuch


Der Ölfleckversuch ist ein Versuch aus der Chemie und Physik, der es mit einfachen Mitteln möglich macht, die Größe eines Moleküls (Atoms) näherungsweise zu bestimmen. 

Einen solchen Versuch führte Benjamin Franklin bereits 1774 durch (Franklin war Verleger, Schriftsteller, Naturwissenschaftler, Erfinder und als Staatsmann einer der Gründerväter der Vereinigten Staaten von Amerika). Ein Teelöffel Öl breitete sich dabei auf einem glatten See auf einer bestimmten Fläche aus. Aus dem Volumen des Öltropfens und der Fläche ließe sich damals schon die Dicke des Ölfilms bestimmen (rund 10−10 m), einen Schluss, den Franklin allerdings nicht vollzog. Franklin war damals noch nicht an Moleküldimensionen interessiert, sondern wie andere Wissenschaftler seiner Zeit an Methoden mit Öl die Wasserwogen zu glätten. Der Beitrag von Franklin geriet bald darauf in Vergessenheit, in Großbritannien auch wegen seiner Beteiligung am Unabhängigkeitskrieg der USA. Interesse daran erwachte erst wieder Ende des 19. Jahrhunderts, als Lord Rayleigh (der Franklins Experiment kannte) ihn in öffentlichen Vorlesungen in der Royal Institution 1890 wiederholte und daraus Moleküldimensionen abschätzte.

 

Versuch

Auf eine mit Wasser gefüllte Schale wird eine feine Schicht Bärlappsporen – oder ein ähnliches Pulver – gepudert. Diese dienen dazu, die Wasseroberfläche besser sichtbar zu machen. Anschließend wird ein Tropfen eines Gemischs aus Öl und Benzin mit bekannter Konzentration (1:1000) und zuvor bestimmtem Volumen in die Mitte der Schale gegeben. Das Benzin dient einer gleichmäßigen schnellen Verteilung des Öls auf dem Wasser und der Verdünnung des Öls. Das Benzin verdunstet dann und ein Fleck aus reinem Öl verbleibt auf der Wasseroberfläche. Dieser verdrängt die Bärlappsporen kreisförmig an den Rand der Schale, weshalb er deutlich sichtbar ist und mit einem Lineal vermessen werden kann. Von grundlegender Bedeutung ist die Annahme, dass es sich bei dem Ölfleck um eine monomolekulare Schicht handelt, das heißt, dass sich nicht mehrere Moleküle übereinander befinden. 

 

Auswertung

Einen möglichst runden Fleck kann man nun als Zylinder betrachten, wobei der Durchmesser eines Moleküls der Höhe des Zylinders entspricht. Über das Volumen des Tropfens und die Konzentration des Benzin-Öl-Gemischs kann man nun das Volumen des Öls ausrechnen. Das ist mit dem Volumen des Zylinders identisch. Mit dem abgemessenen Radius kann man nun die Höhe des Zylinders und damit die ungefähre Größe eines Ölmoleküls berechnen. 

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Hintergrundinformationen - Geometrie: Der Zylinder [4:21]
Die Volumenformel

Die Volumenformel eines Zylinders wird anschaulich hergeleitet. Anschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Beispiel vorgerechnet.


Aufgaben:

  1. Was genau möchte man mit dem Ölfleckversuch eigentlich herausfinden?
  2. Heute gibt es für viele Dinge doch sehr genaue Messmethoden. Warum ist der Ölfleckversuch trotzdem so interessant für uns, gerade in der Schule?
  3. Warum benötigt man eigentlich das Wasser in diesem Versuch?
  4. Beim Versuch werden Bärlappsporen auf die Wasseroberfläche gegeben. Was ist der Grund dafür?

Infotext - Flüssigkeiten erwärmen und abkühlen


Unter Wärmeausdehnung (auch thermische Expansion) versteht man die Änderung der geometrischen Abmessungen eines Körpers. Bei flüssigen Körpern ändert sich das Volumen, hervorgerufen durch eine Veränderung der Temperatur. Die Umkehr dieses Vorganges durch die Abkühlung wird oft als Wärmeschrumpfung (auch thermische Kontraktion) bezeichnet. Wie stark sich das Flüssigkeitsvolumen ändert ist stoffabhängig. Der Ausdehnungskoeffizient wird in Tabellen (siehe Tabelle hier auf der Seite) zusammengefasst und gibt Auskunft über die Eigenschaften einer bestimmten Flüssigkeit.
 
Auswirkungen und Anwendungen
Mit einer Wärmeausdehnung geht also stets auch eine Änderung des Volumens der Flüssigkeit einher. Ein voller Behälter einer Flüssigkeit läuft dann beispielsweise über. Bei abgeschlossenen Systemen kann die Temperaturänderung dann aber auch zu veränderten Druckverhältnissen führen. 
 
Die Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten muss beispielsweise beim Betanken eines Autos berücksichtigt werden. Der Treibstoff kommt mit einer niedrigen Temperatur aus dem Vorratsbehälter der Tankstelle in den Tank des Fahrzeugs. Der Treibstoff erwärmt sich dann auf die Umgebungstemperatur. Besonders im Sommer ist diese deutlich höher als im Vorratsbehälter der Tankstelle. Das Volumen des Treibstoffs erhöht sich dadurch und kann dann das Volumen des Tanks überschreiten. Dafür haben Fahrzeuge zwar Überlaufventile, allerdings sollte ein Überlaufen des Treibstoffs natürlich unbedingt verhindert werden. 
 
Eine weitere Anwendung ist das Flüssigkeitsthermometer: Dieses besteht aus einem mit einer thermometrischen Flüssigkeit gefüllten gläsernen Vorratsgefäß und einem damit verbundenen durchsichtigen Kapillar-Röhrchen. Da sich Flüssigkeiten in der Regel beim Erwärmen ausdehnen nimmt der Pegel der Flüssigkeit im Röhrchen ein von der Temperatur abhängiges Niveau ein. Das Röhrchen wird mit einer Skala verbunden und erlaubt die unmittelbare Messwertablesung in einer Temperatur-Maßeinheit. Ferdinando II. de’ Medici, Großherzog von Toscana, ließ 1654 das erste Thermometer herstellen, das die Ausdehnung von Alkohol in einem geschlossenen Glasrohr ausnutzte. Ab etwa 1714 ersetzte Daniel Gabriel Fahrenheit in Amsterdam den Alkohol durch Quecksilber und erfand das Quecksilberthermometer.
 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Wärmelehre: [8:46]

Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

Gezeigt wird zunächst die Ausdehnung von Wasser bei Temperaturerhöhung. Weiterhin werden anschließend drei verschiedene Flüssigkeiten erwärmt und die Ergebnisse präsentiert. Die Anwendung der Ergebnisse bei der Festlegung der Celsiusskala wird als Anwendung erläutert.


Aufgaben:

  1. Getränkeflaschen sind nie völlig bis zum Rand befüllt. Welchen Grund könnte das haben?
  2. Der Benzintank eines Fahrzeugs sollte nie ganz aufgefüllt werden, das gilt besonders im Sommer. Warum muss man hier besonders vorsichtig sein?
  3. Wenn du Wasser in ein Trinkglas füllst und es dann erwärmst (z.B. von 20°C auf 50°C), dann ist „eigentlich“ kein Anstieg des Wasserstands im Glas zu beobachten. Beim Versuch konntest du aber die Volumenänderung deutlich erkennen. Was ist der Grund dafür?

Infotext - Thermometerskalen (1)


Die Celsius-Temperaturskala

Anders Celsius (1701 - 1744) war ein schwedischer Astronom, Mathematiker und Physiker. Er wurde 1701 in Uppsala geboren. Er studierte an der Universität Uppsala und wurde dort 1730 Professor. 1736 nahm Celsius an einer Expedition zur Vermessung der Form der Erde teil. 1741 stellte er die erste schwedische Sternwarte in Uppsala fertig. Er war außerdem auch Autor populärwissenschaftlicher Literatur. Celsius war der Erste, der die Helligkeit von Sternen messtechnisch untersuchte; auch fand er heraus, dass Polarlichter das Magnetfeld der Erde stören.
Anders Celsius definierte 1742 die nach ihm benannte Temperatureinteilung Grad Celsius. Im Gegensatz zur heute verwendeten Celsius-Skala legte er den Siedepunkt von Wasser mit 0° und den Gefrierpunkt mit 100° fest. Durch Carl von Linné wurden die Fixpunkte der Skala vertauscht; heutzutage wird sie ausschließlich in letzterer Form verwendet. Das Revolutionäre war, dass Celsius vorgeschlagen hatte, sie als universelle Skala zu benutzen, um Temperaturen in der ganzen Welt zu vergleichen: Im Gegensatz zu anderen Forschern notierte er bei der genauen Bestimmung der Fixpunkte auch den herrschenden Luftdruck und legte so genaue Messbedingungen fest.
1948, ca. 200 Jahre nach der Einführung der Skala, wurde zu Ehren Celsius’ durch die 9. internationale Generalkonferenz für Maß und Gewicht offiziell in die Temperatureinheit Grad Celsius (°C) festgelegt. Das Originalthermometer kann heute im Museum der Universität Uppsala, dem Gustavianum, besichtigt werden. Es besteht, genau wie ein heutiges Thermometer, aus einem auf ein Holzbrett mit Skala montierten Quecksilberreservoir mit angesetzter Kapillare (Glasröhrchen).

 

Die Fahrenheit-Temperaturskala

Grad Fahrenheit (°F) ist eine Maßeinheit der Temperatur. Sie wurde nach dem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) benannt. Fahrenheit entwickelte seine Temperaturskala nach einem Besuch bei dem dänischen Astronomen Ole Rømer in Kopenhagen. Rømer war der Erste, der ein Thermometer entwickelte, das mit Hilfe zweier Fixpunkte kalibriert (kalibrieren = überprüfen der Messtoleranzen zu einem bekannt richtigen Standard) wurde. Fahrenheit verwendete demgegenüber als Nullpunkt seiner Skala die tiefste Temperatur, die er mit einer Mischung aus Eis, Wasser und Salz (Kältemischung) erzeugen konnte: −17,8 °C, welche 0 °F entsprechen. Dadurch wollte er in seiner Skala negative Werte vermeiden. Als zweiten Fixpunkt legte Fahrenheit die Körpertemperatur eines „gesunden Menschen“ fest.


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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

  1. Beschreibe den Aufbau und  die Funktionsweise eines Flüssigkeitsthermometers.
    Beschreibe die Vorgehensweise zum Bau eines Flüssigkeitsthermometers. Mit dem Thermometer sollen Temperaturen im Bereich von -10°C bis 100°C gemessen werden.
  2. Die Temperaturangaben in Deutschland und den USA unterscheiden sich deutlich. Was ist der Grund?
  3. Schau dir die "Bildergalerie - Thermometer" an. In Abbildung 1 sind verschiedene Thermometer dargestellt. Beschreibe sie, nenne drei Unterschiede und drei Gemeinsamkeiten. Die Steighöhe der Flüssigkeiten in den Thermometern ist verschieden, sie zeigen aber trotzdem die gleiche Temperatur. Wie kommt das?
  4. In Abbildung 2 siehst du auch ein Thermometer. Das ist ein „Galileo-Thermometer“. Auch das ist ein Flüssigkeitsthermometer. Wie funktioniert es?


Bildergalerie: Thermometer



Infotext - Temperatur im Teilchenmodell (brownsche Bewegung)


Die brownsche Bewegung ist die vom schottischen Botaniker Robert Brown im Jahr 1827 unter dem Mikroskop entdeckte unregelmäßige und ruckartige Wärmebewegung kleiner Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen. Robert Brown (1773 - 1858) war schottischer Arzt und ein bedeutender Botaniker.

 

Bei der Beobachtung von Blütenpollen in einem Wassertropfen stellte Brown 1827 fest, dass die Beobachtung der Pollen durch ständige unregelmäßige und ruckartige Bewegungen gestört wurde. Zunächst wartete Brown eine Weile und vermutete, dass sich die Bewegung mit der Zeit verringern müsste und irgendwann aufhören sollte. Aber auch nach einer längeren Wartezeit hörte die beobachtete Bewegung nicht auf. Ursprünglich nahm Brown an, dass die beobachtete Bewegung ein Hinweis auf eine den Pollen innewohnende Lebenskraft sei, wie sie lange Zeit von Wissenschaftlern als existent vermutet wurde. Jedoch konnte er die gleiche Bewegung dann auch an sicher unbelebten Staubkörnern oder fein zerstäubter Asche in Wasser beobachten. Nach Browns Veröffentlichung erbrachten detaillierte Experimente zunehmend die Gewissheit, dass die brownsche Bewegung eine allgemeine und grundsätzliche Erscheinung ist. Sie wird also durch die Bewegung unsichtbarer und sehr kleiner Flüssigkeitsteilchen hervorgerufen. Diese Flüssigkeitsteilchen sind dabei selbst sehr viel kleiner als die sichtbaren Pollen oder Staubteilchen. Die unsichtbaren Flüssigkeitsteilchen stoßen durch ihre eigene Bewegung immer wieder gegen die viel größeren Staubteilchen und führen so zu deren sichtbarer Bewegung. Dieser Prozess wirkt dabei dann ganz allgemein umso stärker, je höher die Temperatur eines Körpers ist. Damit ergab sich aus der brownschen Bewegung der erste Nachweis der im Teilchenmodell angenommenen allgemeinen Wärmebewegung aller Teilchen. 

 

Auch Albert Einstein beschäftigte sich mit diesem Thema. Im Jahr 1905 wurde von ihm eine Erklärung gegeben: Die im Mikroskop sichtbare Verschiebung der Teilchen wird demnach dadurch bewirkt, dass die Moleküle aufgrund ihrer ungeordneten Wärmebewegung ständig und aus allen Richtungen in großer Zahl gegen die Teilchen stoßen und dabei rein zufällig mal die eine Richtung, mal die andere Richtung stärker zum Tragen kommt. Die erfolgreiche Erklärung der brownschen Bewegung gilt als Meilenstein auf dem Weg zum wissenschaftlichen Nachweis der Existenz der Moleküle und Atome.

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

  1. Stell dir vor, dass im Herbst ein Blatt von einem Baum fällt und auf einem Ameisenhaufen landet.
    a) Welche Beobachtung wirst du dann aus einer weiteren Entfernung (ca. 10 m) machen?
    b) Welche Beobachtung kannst du aus einer kurzen Entfernung (ca. 50 cm) machen? 
    c) Was hat das mit der Brownschen Bewegung zu tun?

     

  2. Wäre die Beobachtung der Brownschen Bewegung auch sichtbar, wenn man die Pollen in einem Eiswürfel einfriert und sie dort unter dem Mikroskop beobachtet?

     

  3. Kann man die Brownsche Bewegung auch in Gasen beobachten? Begründe deine Antwort mit einem Beispiel und erläutere deine Überlegungen.

     



Aufgaben:

  1. Du willst einen Liter Wasser zum Kochen bringen. Wie kannst du vorgehen? 
    a) Nenne drei verschiedenen Möglichkeiten.
    b) Was ist bei deinen verschiedenen Möglichkeiten jeweils die Energiequelle?
  2. Nenne fünf Energieformen und jeweils mindestens ein Beispiel dazu.
  3. Die Einheit der Energie wurde nach einem englischen Physiker benannt. Wer war das, wann lebte er und wo wurde er geboren?
  4. Kann Energie „verloren“ gehen? Beschreibe deine Überlegung an einem Beispiel und erläutere deine Antwort genau.
  5. Was ist der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur?
  6. Beschreibe den Unterschied zwischen Wärme und Temperatur anhand der folgenden Überlegung:
    Erstens: Du erhitzt einen Liter Wasser mit einem Tauchsieder von 20°C auf 30°C. (Anschließend hat das Wasser die Temperatur von 30°C.) 
    Zweitens: Du erhitzt zwei Liter Wasser mit dem gleichen Tauchsieder ebenfalls von 20°C auf 30°C. (Anschließend hat das Wasser ebenfalls eine Temperatur von 30°C.)
    Frage: Haben wir dafür aber auch die gleiche Energie benötigt? Welcher entscheidende Unterschied ist bei dem Versuch festzustellen?
  7. Zwei Liter Wasser werden vermischt. Der eine Liter Wasser hatte zunächst eine Temperatur von 20°C, der zweite Liter Wasser dagegen eine Temperatur von 50°C. Was kannst du über die Temperatur und die Energie bei diesem Versuch sagen?

Querverweis: Siehe auch → Themenseite: Energietechnik

Infos zum Thema:

Energieformen umwandeln





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Weiterführende Links für Interessierte, "Bastler" und Fortgeschrittene:

 

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Welt der Physik

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Planet Schule
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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([01] Wärmelehre - Wärmelehre)

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Infotext ([03] Wärmelehre - Teilchenmodell)

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Infotext ([04] Wärmelehre - Ölfleckversuch)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Benjamin Franklin und Ölfleckversuch aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([05] Wärmelehre - Flüssigkeiten erwärmen und abkühlen)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Wärmeausdehnung und Flüssigkeitsthermometer aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([06] Wärmelehre - Temperaturskalen (1))

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Infotext ([08] Wärmelehre - Temperatur im Teilchenmodell)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Robert Brown (Botaniker, 1773) und Brownsche Bewegung aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.