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Ausdehnung bei Temperaturänderung 03:34 min

Textversion des Videos

Transkript Ausdehnung bei Temperaturänderung

Wie funktioniert ein Thermometer eigentlich? Dieses Thermometer ist ein Flüssigkeitsthermometer. Sein Flüssigkeitsgefäß ist mit einem Steigrohr verbunden und enthält meist gefärbten Alkohol. Steigt die Temperatur, dann steigt auch der Stand der Flüssigkeit. Sinkt die Temperatur, dann sinkt der Stand der Flüssigkeit. Die Teilchen, aus denen die Flüssigkeit besteht, bewegen sich bei höherer Temperatur immer schneller. Dafür benötigen sie viel mehr Platz. Daher vergrößert sich mit höherer Temperatur auch das Volumen einer Flüssigkeit. Dies nennt man Wärmeausdehnung. In dieser Flasche ist nur Luft. Was passiert, wenn sie warm wird? Der Ballon bläst sich auf. Das liegt daran, dass sich Gase bei Erwärmung noch stärker ausdehnen als Flüssigkeiten. Denn Gasteilchen sind frei bewegliche Teilchen. Bei Erwärmung fliegen sie schneller durch den zur Verfügung stehenden Raum. Alle Gase dehnen sich bei gleicher Erwärmung gleich stark aus. Und feste Körper? In Festkörpern sind die Teilchen an einem festen Platz und können nur hin und her schwingen. Bei höherer Temperatur schwingen sie immer heftiger und entfernen sich dabei etwas voneinander. Die Veränderungen sind allerdings kaum sichtbar. In der Animation sehen wir, wie sich die Stäbe bei gleicher Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. Der Glasstab links nur ein wenig, das Eisen rechts hingegen fast viermal so stark. Diese unterschiedlichen Ausdehnungen nutzen wir im Alltag. So wird in Haushaltsgeräten die Temperatur durch sogenannte Bimetallstreifen gemessen und reguliert. Man findet sie zum Beispiel im Fön oder im Bügeleisen. Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei Metallen, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. Dadurch verbiegt sich der Streifen. Im Bügeleisen öffnet oder schließt das Bimetall den Stromkreis und dient zur Temperaturmessung als Thermostat. Die Volumenänderung bei Erwärmung nimmt im Allgemeinen von festen überflüssige hin zu gasförmigen Körpern zu. Oh, was ist denn hier passiert? Wasser gehört zu den wenigen Stoffen, die sich beim Gefrieren, also unterhalb von null Grad Celsius ausdehnen. Deswegen ist die Flasche geplatzt. Beim Erwärmen zieht es sich im Bereich von Null bis vier Grad Celsius hingegen zusammen. Man nennt dieses Phänomen „Anomalie des Wassers“.

15 Kommentare
  1. Default

    Hilfreich

    Von Punktsymmetrie2018, vor 7 Tagen
  2. Default

    Super Video! :)

    Von Vier Jentschis, vor etwa 2 Monaten
  3. Default

    gut gemacht

    Von Quyenlinhdao, vor 3 Monaten
  4. Default

    super!

    Von Kingaczup, vor 4 Monaten
  5. Katzen 208

    Gut erklärt. Auch mit den Bildern die ihr da zeigt. Virallem das mit den Bläschen war für mich einprägend

    Von Ingo S., vor 5 Monaten
  1. Default

    gut erklärt

    Von Matwalden, vor 10 Monaten
  2. Default

    echt gut erklärt!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

    Von Ra Ss, vor etwa einem Jahr
  3. Default

    genial!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

    Von Juwar2005, vor etwa einem Jahr
  4. Default

    Super erklärt 👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻👍🏻

    Von Kat Plogmann, vor mehr als einem Jahr
  5. Default

    Super gut👍🏻

    Von Stefaniefranke, vor mehr als einem Jahr
  6. Images

    Cool!

    Von JK G., vor mehr als einem Jahr
  7. Default

    @Raeck, ?

    Von Dieser j., vor etwa 2 Jahren
  8. Default

    @Raeck, Trd super erklärt oder nicht:D

    Von Dieser j., vor etwa 2 Jahren
  9. Default

    so wenige aufgaben

    Von Raeck, vor etwa 2 Jahren
  10. Default

    Tolles Video und super erklärt!

    Von Alood, vor mehr als 2 Jahren
Mehr Kommentare

Ausdehnung bei Temperaturänderung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Ausdehnung bei Temperaturänderung kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Funktion eines Flüssigkeitthermometers.

    Tipps

    Eine durchsichtige Flüssigkeit wäre nur schwer zu erkennen. Was wird deswegen mit der Flüssigkeit gemacht?

    Bei der Skala eines Thermometers liegen die niedrigen Temperaturen unten und die hohen Temperaturen oben. Muss die Flüssigkeitssäule bei steigender Temperatur dann steigen oder fallen?

    Lösung

    Ein Flüssigkeitsthermometer besteht aus einem Flüssigkeitsgefäß, einem Steigrohr und einer Temperaturskala.

    Das Flüssigkeitsgefäß ist mit dem Steigrohr verbunden. Wenn die Flüssigkeit sich ausdehnt, dann steigt sie im Steigrohr empor.
    Flüssigkeiten dehnen sich bei steigenden Temperaturen aus.
    Darum steigt die Flüssigkeitssäule, wenn die Temperatur steigt.
    Fällt die Temperatur dagegen, dann fällt auch die Flüssigkeitssäule: Die Flüssigkeit zieht sich zusammen.

    Das Steigrohr ist mit einer Temperaturskala hinterlegt. An dieser kann mithilfe des aktuellen Standes der Flüssigkeit die Temperatur abgelesen werden.

  • Beschreibe einen Versuch, der zeigt, wie Gase sich bei steigender Temperatur verhalten.

    Tipps

    Um das Verhalten von Gasen bei steigenden Temperaturen zu beobachten, müsste erstmal ein Gas eingefangen werden. Wie ist das möglich und wie kann die Temperatur des Gases erhöht werden?

    Nutze die gezeigten Materialien.

    Wenn die Flasche erwärmt wird, erwärmt sich auch ihr Inhalt. Wie kannst du verhindern, dass der Inhalt aus der Flasche entweicht und trotzdem noch beobachten, ob sich der Inhalt ausdehnt oder zusammenzieht?

    Gase verhalten sich bei Erwärmung im Prinzip ähnlich wie die meisten Flüssigkeiten. Der Effekt fällt nur noch stärker aus. Was passiert mit den meisten Flüssigkeiten bei steigenden Temperaturen?

    Lösung

    Um das Verhalten von Gasen bei steigenden Temperaturen zu beobachten, muss erstmal ein Gas eingefangen werden.

    Wenn eine leere Flasche einfach nur verschlossen wird, dann ist sie mit Luft gefüllt. Allerdings lässt sich beim Verschließen mit dem Deckel nicht mehr beobachten, ob sich das Gas ausdehnt oder zusammenzieht.

    Deswegen wird ein Luftballon über die Flaschenöffnung gezogen. Das Gas (Luft) kann nun nicht mehr aus der Flasche entweichen.
    Das Volumen des Luftballons zeigt an, ob sich das Volumen in der Flasche vergrößert oder verkleinert.

    Anschließend wird die Flasche in ein warmes Wasserbad gestellt. Dadurch erwärmt sie sich. Auch die Luft in der Flasche erwärmt sich.

    Der Luftballon richtet sich auf. Das Volumen der Luft wurde also größer.
    Daraus kann geschlossen werden, dass sich Gase bei steigender Temperatur ausdehnen. Dies kann auch für andere Gase als Luft gezeigt werden.

  • Beschreibe die Anomalie des Wassers.

    Tipps

    Wasser hat die größte Dichte bei $4 °C$. Ist das Volumen dann eher groß oder klein?

    Wenn du eine Glasflasche mit Wasser befüllst und einfrierst, dann platzt diese. Dehnt sich Wasser beim Einfrieren dann aus oder zieht es sich zusammen?

    Bei Temperaturen über $4 ~ °C$ verhält sich Wasser wie die meisten anderen Flüssigkeiten. Wie verhalten sich diese beim Erwärmen?

    Die meisten Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen zusammen und dehnen sich beim Erwärmen aus.

    Lösung

    Bei den meisten Flüssigkeiten findet beim Erwärmen eine Ausdehnung und beim Abkühlen ein Zusammenziehen statt.

    Bei Wasser ist dies teilweise etwas anders. Besonders zu betrachten ist dabei die Temperatur von $4~°C$.
    Bei Temperaturen über $4 ~°C$ verhält sich Wasser wie die meisten Stoffe: Es dehnt sich also bei Erwärmung aus.

    Bei $4 ~ °C$ hat Wasser die größte Dichte und damit das kleinste Volumen. Bei der Erwärmung von $0 ~°C$ auf $4~°C$ zieht es sich deswegen zusammen.

    Beim Gefrieren, also beim Abkühlen unter $0 ~°C$, findet eine Ausdehnung statt. Das Volumen steigt also. Deswegen platzen Flaschen häufig, wenn du sie mit Wasser befüllst und einfrierst.

  • Erkläre das unterschiedliche Verhalten von Feststoffen und Gasen bei steigenden Temperaturen.

    Tipps

    Was passiert im inneren eines Luftballons bei einer Temperaturerhöhung und worin liegt der größte Unterschied in der Struktur von Gasen und Feststoffen?

    Die Struktur von festen und gasförmigen Körpern kann mit dem Teilchenmodell erklärt werden. Solange das feste Material nicht schmilzt, können sich die Teilchen nicht aus ihrem Verbund lösen.
    Was heißt das für die Ausdehnung eines festen Körpers?

    Wenn zwischen Teilchen eine Wechselwirkung besteht, dann fällt diese je nach Teilchenart unterschiedlich stark aus. In welchem Aggregatzustand besteht eine Wechselwirkung und wovon ist die Teilchenart abhängig?

    Lösung

    Die Struktur von festen und gasförmigen Körpern kann mit dem Teilchenmodell erklärt werden.

    Bei Gasen sind die Teilchen

    • frei im Raum beweglich
    • voneinander unabhängig
    Wenn die Temperatur eines Gases erhöht wird, dann wird dem Gas Energie zugeführt. Dies führt zu einer Zunahme der Bewegungsenergie der Teilchen und damit einhergehend zu stärkeren und schnelleren Bewegungen.
    Du kannst dir sicher leicht denken, dass eine Gruppe von Menschen die sich bewegen mehr Platz brauchen, als solche die still stehen.
    So ist es auch bei den Gasen. Mehr Bewegung führt zu einem größeren Volumen.

    Da keine Wechselwirkung zwischen den Teilchen besteht, ist es auch egal, um welches Gas es sich handelt:
    Das Volumen von Gasen nimmt bei gleicher Temperaturzunahme immer gleich stark zu.

    Bei Feststoffen sind die Teilchen

    • fest an ihren Platz gebunden. Sie schwingen um ihre Ruhelage.
    • voneinander abhängig.
    Auch hier führt eine Erhöhung der Bewegungsenergie zu einer stärkeren Bewegung um die Ruhelage. Wegen der Bindung ist jedoch keine all zu starke Volumenzunahme möglich.
    Feststoffe dehnen sich bei Erhöhung der Temperatur grundsätzlich weniger stark aus als Gase.

    Zurück zum Beispiel mit den Menschen:
    Stell dir vor, die Gruppe hält sich an den Händen. Wenn sich dann alle bewegen, ist die Bewegung eingeschränkt und das Volumen nimmt nicht so stark zu.

    Ferner besteht eine starke Wechselwirkung zwischen den Teilchen und jeder Feststoff besteht aus unterschiedlichen Teilchen. Deswegen ist die Wechselwirkung je nach Material unterschiedlich ausgeprägt und damit auch die Volumenzunahme bei steigender Temperatur materialspezifisch.

  • Erkläre die Anwendung von Bimetallstreifen.

    Tipps

    Die Materialien eines Bimetallstreifens lassen sich aus dem Namen ableiten. Bi- ist eine lateinische Vorsilbe und heißt zwei. Wie verhalten sich Festkörper bei der Zufuhr von Wärme?

    Festkörper dehnen sich bei der Zufuhr von Wärme aus. Dabei dehnt sich zum Beispiel Eisen sehr viel stärker aus, als Glas. Ist die Ausdehnung dann vom Material abhängig? Und was passiert, wenn der Festkörper abkühlt?

    Das Bild zeigt die Veränderung eines Bimetallstreifens unter Wärmezufuhr. Was passiert, wenn der Streifen in einen Stromkreis eingebunden wird?

    Lösung

    Der Aufbau eines Bimetallstreifens lässt sich aus dem Namen ableiten.

    • Bi- ist eine lateinische Vorsilbe und steht für zwei.
    • Metall steht für die Materialart.
    Somit ist ein Bimetallstreifen auf Deutsch ein Zweimetallstreifen, also ein Streifen, der aus zwei unterschiedlichen Metallen besteht. Diese werden übereinander angeordnet und haben eine unterschiedliche Wärmeausdehnung.

    Da sich ein Streifen bei Wärmezufuhr mehr ausdehnt als der andere, verbiegt sich der gesamte Streifen.
    Durch Abkühlen ist dieser Vorgang auch umkehrbar:
    Bei Kältezufuhr ziehen Festkörper sich zusammen.

    Wenn der unausgedehnte, gerade Streifen in einen Stromkreis eingebunden wird, dann wird der Stromkreis unterbrochen, sobald sich der Streifen verbiegt,
    das heißt bei Wärmezufuhr.
    Der Bimetallstreifen fungiert dann als Schalter und schützt vor dem Überhitzen.

  • Erkläre, wie sich das Volumen von Gasen und Flüssigkeiten bei steigender Temperatur verhält.

    Tipps

    In Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen finden sich ganz kleine Teilchen. Diese können sich in Gasen ganz frei bewegen. Auch in Flüssigkeiten können sich die Teilchen bewegen und gegenseitig verschieben, es fällt ihnen nur etwas schwerer.
    Können verschiedene Arten von Gasen und Flüssigkeiten dann extrem unterschiedlich aufgebaut sein?

    Wenn ein Gas erwärmt wird, dann wird den Teilchen Energie zugeführt. Würdest du dich weniger oder mehr bewegen, wenn du mehr Energie hast?

    Wenn ein Luftballon stark erwärmt wird, dann wird er immer größer und platzt irgendwann. Was ist hier passiert?

    Lösung

    Gase und Flüssigkeiten sind grundsätzlich ähnlich aufgebaut, auch wenn es sich jeweils um verschiedene Arten handelt.
    In allen Gasen und Flüssigkeiten findest du kleine, bewegliche Teilchen.

    • In Gasen können sich die Teilchen ganz frei und uneingeschränkt bewegen.
    • In Flüssigkeiten wird die Bewegung durch die anderen Teilchen eingeschränkt. Sie können sich aber gegenseitig verschieben.
    Im Folgenden wird nur noch das Gas erwähnt, in abgeschwächter Form gilt das Geschriebene aber genauso für Flüssigkeiten.

    Wenn ein Gas erwärmt wird, dann wird ihm Wärme zugeführt. Das ist eine Art von Energie. Die Teilchen erhalten also mehr Energie.
    Dadurch bewegen sich die Teilchen schneller und mehr. Damit einhergehend brauchen sie mehr Platz.
    Darum steigt das Volumen bei steigender Temperatur.

    Du kannst dir dazu folgendes Beispiel vorstellen:

    • Du bist krank und hast deswegen wenig Energie. Dann liegst du am liebsten im Bett und machst gar nichts.
    • Du bist wieder gesund und deswegen mehr Energie. Nun hast du einen viel größeren Bewegungsdrang und möchtest auf keinen Fall im Bett liegen müssen. Du brauchst deswegen mehr Platz.
    Da sich die Teilchen in Flüssigkeiten nicht ganz so frei bewegen können wie in Gasen, ist auch die Volumenänderung bei zunehmender Temperatur geringer.

    Es gibt noch einen weiteren Unterschied zwischen Gasen und Flüssigkeiten:

    • In Gasen besteht keine Wechselwirkung unter den Teilchen. Jedes Gas dehnt sich bei gleicher Temperaturzunahme gleich stark aus.
    • In Flüssigkeiten besteht eine Wechselwirkung und die Ausdehnung ist materialspezifisch.