Wärmelehre (1)

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.

Videos:

1) → FWU - Teilchenmodell und Aggregatzustände

2) → Aggregatzustände einfach erklärt (Mit Infos für "Experten")

3) → Aggregatzustände I fest I flüssig I gasförmig

Aufgaben:

Videos:

1) → Wärmeempfindung | alpha Lernen erklärt Physik

2) → Temperaturmessung | alpha Lernen erklärt Physik

3) → Heiss-Kalt Wasserexperiment!

Aufgaben:

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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Videos:

1) → Teilchenmodell I Atome I Moleküle

2) → Das Teilchenmodell einfach erklärt ("Expertenvideo" mit Zusatzinformationen)

3) → FWU - Teilchenmodell und Aggregatzustände

Aufgaben:

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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Videos:

1) → Ölfleckversuch - einfach und anschaulich erklärt

2) → Der Ölfleckversuch

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

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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)

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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Videos:

1) → Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

2) → Volumenausdehnung von Alkohol und Wasser

3) → Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten - Beispiel Wasser

4) → Temperaturmessung | alpha Lernen erklärt Physik

5) → Thermometer: Wie funktioniert das? – Physik | Duden Learnattack

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?

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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Videos:

1) → Brownsche Molekularbewegung [1:50]

2) → Was ist die Brownsche Bewegung? [2:58]

3) → Brown'sche Molekularbewegung: Milch auf warmen Wasser (Versuch) [1:05]

4) → Teilchenmodell, erster Lehrsatz | alpha Lernen erklärt Physik [2:44]

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.

    

Videos:

1) → Thermische Energie | alpha Lernen erklärt Physik

2) → Energieformen & Energieumwandlung - Übersicht

3) → Energieformen - Überblick

4) → Was ist Energie - Energieformen

5) → Umwandlung der Energieformen

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?

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Dieser Text basiert auf den Artikeln Anders Celsius und Grad Fahrenheit 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.

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.