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Innere Energie und Teilchenmodell 06:17 min

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Transkript Innere Energie und Teilchenmodell

Hallo und herzlich willkommen. Heute beschäftigen wir uns damit, was man unter dem Begriff „innere Energie“ versteht. Um zu verstehen, was die innere Energie ist, werden wir nochmal das Teilchenmodell der Materie betrachten. nach dieser kurzen Wiederholung befassen wir uns genauer mit dem Zusammenhang zwischen Temperatur und thermischer Bewegung und damit, wie sich die verschiedenen Aggregatzustände im Teilchenmodell beschreiben lassen. Danach werden wir uns damit beschäftigen, wie man die innere Energie im Teilchenmodell verstehen kann und wie innere Energie und Temperatur zusammenhängen. Alle Stoffe, die wir auf der Erde finden, sind aus ganz kleinen Teilchen aufgebaut. Wir nennen einen Stoff fest, wenn alle Teilchen in ihm einen festen Platz haben, von dem sie sich nicht wegbewegen können. Sie können nur um ihren festen Platz schwingen. Die anziehenden Kräfte zwischen den Teilchen sind in festen Stoffen sehr stark; man kann auch sagen, dass die Bindung zwischen den Teilchen sehr stark ist. Um die Teilchen voneinander zu trennen, muss Energie zugeführt werden. Man bezeichnet die Energie, die zugeführt werden muss, um die Bindungen aufzubrechen, als Bindungsenergie. Wir nennen einen Stoff flüssig, wenn sich die Teilchen in ihm bewegen können. Zwischen den Teilchen gibt es aber immer noch eine anziehende Kraft, sie können sich nicht völlig frei bewegen. Ist ein Stoff gasförmig, so besteht kaum eine Anziehung zwischen den Teilchen. Sie können sich fast völlig frei bewegen und füllen immer den gesamten ihnen zur Verfügung stehenden Raum aus. Fest, flüssig und gasförmig nennt man auch „Aggregatzustände“. Wie du schon gesehen hast, können sich die Teilchen in allen drei Aggregatzuständen bewegen. Bei niedrigen Temperaturen bewegen sie sich wenig; umso höher die Temperatur wird, umso mehr bewegen sich die Teilchen in einem Stoff. Erhitzt man einen festen Körper auf seine Schmelztemperatur, so bewegen sich die Teilchen in ihm so stark, dass das Gitter, das die Teilchen an ihren Plätzen hält, aufbricht. Die Teilchen können sich dann bewegen, der Körper wird somit zu einer Flüssigkeit. Wird die Flüssigkeit auf ihre Siedetemperatur erhitzt, so werden die anziehenden Kräfte zwischen den Teilchen überwunden; die Teilchen können sich fast völlig frei bewegen. Die Flüssigkeit wird dann zu einem Gas. Bei Abkühlung laufen diese Prozesse genau andersrum ab. Nun wollen wir uns anschauen, was man unter der inneren Energie eines Körpers oder Stoffes versteht. Wie wir schon gesehen haben, bewegen sich die Teilchen je nach Temperatur unterschiedlich stark. Jeder Festkörper, jede Flüssigkeit und jedes Gas hat eine bestimmte Energie, da sich die Teilchen in ihnen bewegen. Man nennt diese Energie, die aus dieser Bewegung resultiert, „kinetische Energie“ oder auch „thermische Energie“. Wie wir schon gesehen haben, wirken zwischen den Teilchen im Festkörper und in der Flüssigkeit anziehende Kräfte. Um die Teilchen voneinander zu entfernen, muss also Energie aufgewendet werden. Ein Stoff, bei dem die Teilchen weniger stark gebunden sind, hat also eine niedrigere Bindungsenergie. So hat Wasser zum Beispiel eine geringere Bindungsenergie als Eis. Außerdem gibt es noch einen kernphysikalischen Anteil; er beschreibt die Energie, die potentiell in den Atomkernen vorhanden ist und die bei Kernzerfällen, Kernspaltung oder Kernfusion freigesetzt werden kann. Die innere Energie eines Körpers ergibt sich dann aus diesen drei Energien. Es gilt: Innere Energie U=Ethermisch-EBindung+Ekernphysikalisch. Die Bindungsenergie geht dabei negativ in die Gleichung ein; das liegt daran, dass in einem Stoff, in dem die Bindungen eine geringere Energie haben, potentiell noch Energie frei werden kann, wenn die Bindungen stärker werden. Das sieht man zum Beispiel, wenn man beobachtet, was passiert, wenn Wasser zu Eis wird. Es wird fest und zusätzlich wird noch Energie in Form von Wärme frei. Daraus folgt, dass im flüssigen Zustand mehr innere Energie vorhanden ist als im festen. Wenn die Bindungsenergie im festen Aggregatzustand aber größer ist, muss die Bindungsenergie negativ in die Formel für die innere Energie eingehen. Nun wollen wir uns noch damit befassen, wie die Temperatur und die innere Energie zusammenhängen. Wie wir bereits wissen, setzt sich die innere Energie aus einem thermischen, einem chemischen und einem kernphysikalischen Energieanteil zusammen. Die thermische Energie wiederum hängt von der Temperatur ab. Steigt die Temperatur, so steigt auch die thermische Energie; und somit die innere Energie. Die innere Energie ist somit temperaturabhängig. Da sie sich aber aus drei Teilen zusammensetzt, haben zwei Körper mit der gleichen Temperatur nicht unbedingt die gleiche innere Energie. So können zum Beispiel ein Festkörper und eine Flüssigkeit die gleiche Temperatur haben. Da die Bindungsenergie im Festkörper aber wesentlich höher ist und diese negativ in die Gleichung eingeht, hat er eine niedrigere innere Energie. Vergleicht man zum Beispiel zwei unterschiedliche Gase bei der gleichen Temperatur, so wirken bei beiden nahezu keine Bindungskräfte. Es kann allerdings sein, dass das eine Gas ein höheres kernphysikalisches Potential hat und somit auch eine höhere innere Energie. So, was haben wir heute gelernt? Alle Materialien bestehen aus kleinsten Teilchen. Sind diese fest angeordnet, so handelt es sich um einen Festkörper. Können sie sich bewegen, besteht aber immer noch eine anziehende Kraft zwischen den Teilchen, so liegt eine Flüssigkeit vor. Wenn die Teilchen sich völlig frei im Raum bewegen können, handelt es sich um ein Gas. Die Bewegung der Teilchen nimmt mit der Temperatur zu. Der Aggregatzustand eines Stoffes hängt von der Temperatur ab. Die innere Energie setzt sich aus drei Teilen zusammen: einem thermischen, einem Bindungs- und einem kernphysikalischen Anteil. Die innere Energie ist temperaturabhängig, zwei Körper mit der gleichen Temperatur besitzen aber nicht zwangsläufig die gleiche innere Energie.

6 Kommentare
  1. Raspberry lemonade cupcakes6 edit srgb.

    was bedeutet potenzielle Energie?

    Von Dana , vor etwa einem Jahr
  2. Default

    Gut aber zu schnell..

    Von Echaryeva, vor mehr als 4 Jahren
  3. Default

    Sehr gutes Video! Vielen Dank :D

    Von Haus Annabell, vor fast 5 Jahren
  4. 1d

    sehr gut erklärt.endlich mal logisch erklärt:)

    Von Joachim Müller, vor etwa 5 Jahren
  5. Default

    supi, hat mir richtig gut geholfen!
    Echt toll erklärt, schön langsam und deutlich gesprochen. Und so verständlich wie möglich erklärt!
    Danke!

    Von Arastoo Varahram, vor mehr als 5 Jahren
  1. Index

    Vielen Dank!
    Echt super :)

    Von Supreme -., vor mehr als 5 Jahren
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Innere Energie und Teilchenmodell Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Innere Energie und Teilchenmodell kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, was mit Teilchen passiert, wenn Wärme hinzugeführt wird.

    Tipps

    Wie lässt sich die Temperatur eines Atoms ermitteln?

    Lösung

    Wird ein Objekt, egal ob flüssig, fest oder gasförmig, erhitzt, so passiert mit allen Teilchen dasselbe. Doch was genau passiert mit diesen Teilchen? Verändert sich die Geschwindigkeit? Die Masse? Oder sogar die Größe der Teilchen?

    Tatsächlich verändert sich nur die Geschwindigkeit der Teilchen. Je wärmer ein Objekt ist, desto schneller bewegen sich die Atome innerhalb dieses Objektes.

    Die Masse und die Größe der Teilchen bleibt unverändert. Würde sich beispielsweise die Masse verändern, so wäre eine Wasserflasche im Sommer schwerer als im Winter.

  • Gib an, wann ein Körper anfängt zu sieden.

    Tipps

    Wenn Wasser anfängt zu sieden, was passiert dann mit dem Wasser?

    Lösung

    Als Siedepunkt bezeichnet man die Temperatur, bei der ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Wasser hat diesen Punkt unter normalem atmosphärischen Druck bei $100~°C$ bzw. $373,16~K$ erreicht.

    Man nennt diesen Punkt auch Kochpunkt, da Wasser bei diesem Punkt anfängt zu kochen.

  • Gib an, wann man von einem festen, flüssigen oder gasförmigen Körper spricht.

    Tipps

    Stelle dir einen Eiswürfel aus Wasser vor. Wann ist dieser Eiswürfel fest? Was passiert, wenn er flüssig wird? Und kann er auch gasförmig werden?

    Lösung

    Es gibt drei klassische Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig.

    Die Bewegung der Teilchen der drei Zustände ist hierbei ein Maß für die Temperatur des Stoffs. Die Art der Bewegung der jeweiligen Teilchen (Atome/Moleküle) ist in den drei Aggregatzuständen jedoch völlig unterschiedlich.

    Man nennt einen Stoff fest, wenn alle Teilchen in ihm einen festen Platz haben, von dem sie sich nicht wegbewegen können. Sie können nur um ihren festen Platz schwingen.

    Man nennt einen Stoff flüssig, wenn sich die Teilchen in ihm etwas frei bewegen können. Zwischen den Teilchen gibt es aber immer noch eine anziehende Kraft.

    Ist ein Stoff gasförmig, besteht kaum eine Anziehung zwischen den Teilchen. Sie können sich vollkommen frei bewegen und füllen den gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus.

  • Gib die Bindungsenergie an, wenn $E_{Therm}=280~J$, $E_{Kern}=127~J$ und $U=340~J$.

    Tipps

    Schreibe die gegebenen und gesuchten Größen auf.

    $U=E_{Therm}-E_{Bind}+E_{Kern}$

    Lösung

    Um die Aufgabe lösen zu können schreiben wir zuerst die gegebenen und gesuchten Größen auf. Dann halten wir die Formel zur Berechnung fest, setzen die Zahlenwerte ein und formulieren abschließend einen Antwortsatz.

    Gegeben: $E_{Therm}=280J$; $~~~~$ $E_{Kern}=127~J$; $~~~~$ $U=340~J$

    Gesucht: $E_{Bind}$ in $J$

    Formel: $U=E_{Therm}-E_{Bind}+E_{Kern}$ Diese Gleichung ist nach $E_{Bind}$ umzustellen: $E_{Bind}= E_{Therm}+E_{Kern}-U$

    Berechnung: $E_{Bind}= E_{Therm}+E_{Kern}-U=280~J+127~J-340~J=67~J$

    Antwortsatz: Die Bindungsenergie beträgt $67~J$.

  • Gib zu der jeweiligen Beschreibung die passende Energieform an.

    Tipps

    $U=E_{Therm}-E_{Bind}+E_{Kern}$

    Lösung

    In dieser Aufgabe musst du vier verschiedene Energien zu ihrer jeweiligen Erklärung zuordnen. Bei einer solchen Aufgabe ist es immer ratsam, mit den einfacheren Antworten anzufangen.

    So sagt die Kernenergie $E_{Kern}$ etwas über die Atomkerne aus. Die Kernenergie gibt somit an, wie viel potentielle Energie in den Atomkernen vorhanden ist.

    Die Bindungsenergie $E_{Bind}$ hingegen sagt etwas über die Bindung der einzelnen Teilchen aus: Also wie sehr das eine Teilchen an ein anderes gebunden ist. Somit gibt die Bindungsenergie an, wie sehr die Teilchen sich gegenseitig anziehen.

    Die thermische Energie $E_{Therm}$ nennt man auch kinetische Energie und resultiert aus der Bewegung der Teilchen.

    Bleibt für die innere Energie $U$ nur noch folgende Option offen: Die innere Energie gibt die gesamte für thermodynamische Umwandlungsprozesse zur Verfügung stehende Energie eines physikalischen Systems an.

  • Gib die Formel zur Berechnung der inneren Energie an.

    Tipps

    Die in der Formel zu berechnende Größe ist die innere Energie.

    Welche Energieform könnte negativ in die Formel eingehen?

    Lösung

    Die innere Energie ist die gesamte für thermodynamische Umwandlungsprozesse zur Verfügung stehende Energie eines physikalischen Systems.

    Dabei setzt sich die innere Energie aus einer Vielzahl anderer Energieformen zusammen: der thermischen Energie, der Bindungsenergie und der Kernenergie.

    Eine dieser Energieformen geht jedoch negativ in die Gleichung ein, und zwar die Bindungsenergie, da in einem Stoff, in dem die Bindungen eine geringere Energie haben, potenziell noch Energie frei werden kann, wenn die Bindungen stärker werden.

    Somit berechnet sich die innere Energie $U$ wie folgt: $U=E_{Therm}-E_{Bind}+E_{Kern}$.