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Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten

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Die Autor/-innen
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Sonjabu
Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten

Hallo, du weißt ja bestimmt wie ein Flüssigkeitsthermometer funktioniert. Richtig! Wenn die Flüssigkeit in dem Glasröhrchen warm wird dehnt sie sich aus und steigt in dem Röhrchen höher. Dann können wir die Temperatur ablesen. In diesem Video lernst du zuerst, wie sich das spezifische Volumen von Festkörpern mit der Temperatur verändert und weshalb das so ist. Dann lernst du wie sich die Dichte von Flüssigkeiten beim Erwärmen oder Abkühlen verändert. Hast du dir schon einmal überlegt weshalb Eis eigentlich auf dem Wasser schwimmt und weshalb ein See von oben nach unten zu friert? Dieser Frage werden wir hier auf den Grund gehen!

Transkript Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten

Hallo, heute wollen wir uns mit der Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten beschäftigen. Was es damit auf sich hat? Beginnen wir mal mit der Volumenänderung von Festkörpern. Stellen wir uns so einen Körper vor, der aus vielen kleinen Teilchen, also Atomen zusammengesetzt ist. Ist der Körper sehr kalt, sitzen diese Teilchen ganz fest an ihrem Platz, und weil sie sich kaum bewegen, können sie sehr dicht zusammenrutschen, also nehmen sie wenig Raum ein. Führt man dem Körper dagegen Wärmeenergie zu, erhöht sich seine innere Energie, seine Temperatur. Das heißt, dass sich die Teilchen schneller bewegen, sie fangen an zu schwingen. Dabei stoßen sie gegeneinander und schubsen sich quasi herum. Also brauchen sie mehr Platz und der Körper nimmt mehr Raum ein. Er hat sich ausgedehnt. Je wärmer der Körper wird, desto weiter schwingen die Teilchen aus und stoßen dabei gegeneinander. Dabei überschreiten sie den früheren Rand des Körpers, was dazu führt, dass er sich ausdehnt. Wir können also festhalten, dass die Änderung der Temperatur eines Körpers zu einer Änderung seines Volumens führt. Allerdings müssen wir noch beachten, dass sich nicht alle Körper gleich stark ausdehnen. Es hängt vom Material ab. Das Volumen eines Körpers hängt also mit seiner inneren Energie, der Temperatur, zusammen. Sie gibt an, wie schnell sich die Teilchen in seinem Inneren bewegen und wie viel Platz sie dafür benötigen. Diese Volumenänderung von Festkörpern ist auch im täglichen Leben von Bedeutung. Würde man zum Beispiel Eisenbahnschienen an einem Stück produzieren und auslegen, hätten sie im Sommer keinen Platz um sich auszudehnen, also würden sie sich verbiegen. Deshalb verlegt man Eisenbahnschienen in kleinen Stücken. Wird es im Sommer warm, können sich die Stücke in die Lücken dazwischen ausdehnen. Das nennt man Dehnungsfugen. Problematisch wird es auch, wenn man 2 Materialien verarbeiten möchte und sie zusammensetzt, aber sich das eine stärker ausdehnt als das andere. Hat man hier zum Beispiel innen einen Ring aus einem sich stark ausdehnenden Material und außen aus einem sich schwächer ausdehnenden Material, dann würde im Sommer sich der innere Ring so stark ausdehnen, dass der äußere kaputt geht. Wusstest du schon: wegen der temperaturbedingten Volumenänderung ist der Eiffelturm im Sommer ungefähr 10 cm höher als im Winter.  Kommen wir nun zum zweiten Kapitel dieses Films. Der temperaturbedingten Volumenänderung von Flüssigkeiten. Stellen wir uns eine Flüssigkeit vor, die aus kleinen Teilchen besteht. Auch wenn die Flüssigkeit kalt ist, haben die Teilchen schon eine recht große Geschwindigkeit und bewegen sich aneinander vorbei. Erhöht man nun allerdings die innere Energie, also die Temperatur dieser Flüssigkeit, so bewegen sich die Teilchen noch schneller und brechen dabei über den früheren Rand hinaus. Also dehnen sich auch Flüssigkeiten aus, wenn man sie erwärmt. Genau wie bei den Festkörpern hat auch bei den Flüssigkeiten diese Volumenänderung Auswirkung auf das tägliche Leben. Zum Beispiel sollte man nie einen Benzintank ganz vollfüllen. Denn erwärmt er sich dann, dehnt sich das Benzin aus und würde wieder herauslaufen. Eine Flüssigkeit gibt es allerdings, bei der das völlig anders ist und das ist ausgerechnet die Flüssigkeit, die die größte Rolle in unserem Leben spielt. Das Wasser. Zeichnen wir uns ein Diagramm, indem wir auf die waagerechte Achse, die Temperatur in °C auftragen und auf die senkrechte Achse das Volumen. Wir beginnen dann, ziemlich weit rechts im Diagramm, bei einem normalen durchschnittlichen Volumen des Wassers und schauen, was passiert, wenn wir die Temperatur verringern. Zunächst verhält sich das Wasser wie jede andere Flüssigkeit - es zieht sich zusammen. Doch bei 4 °C hat es schon seine größte Dichte, also sein kleinstes Volumen erreicht und dehnt sich plötzlich sprunghaft wieder aus. Im gefrorenen Zustand, also als Eis, hat es dann zunächst einmal ein größeres Volumen als flüssiges Wasser. Erst nach und nach zieht es sich dann wieder zusammen. Wir halten noch mal fest, dass Wasser sein geringstes Volumen bei 4 °C hat und dass gefrorenes Wasser, also Eis, ein größeres Volumen hat, als flüssiges Wasser. Diese beiden Fakten bezeichnet man als Anomalie des Wassers. Auch diese Besonderheit des Wassers spielt in unserem Leben eine wichtige Rolle. Zum Beispiel kann ein Rohr, das mit Wasser gefüllt ist, im Winter platzen, wenn die Temperatur unter 0 °C sinkt. Dann gefriert das Wasser und dehnt sich sprunghaft aus. Weil sich das Rohr aber nicht genauso schnell ausdehnen kann, geht es kaputt. In der Natur hat die Anomalie des Wassers allerdings noch eine andere Bedeutung. Stellen wir uns einen See vor, normalerweise ist das warme Wasser oben und das kalte Wasser unten. Denn es hat eine größere Dichte. Wenn im Winter allerdings die Temperaturen sehr klein werden, sich also dem Gefrierpunkt annähern, dann ändert sich dieses Verhältnis. Wie wir wissen, hat Wasser seine größte Dichte, also sein kleinstes Volumen, bei 4 °C. Also ist dieses Wasser schwer im Vergleich zu Wasser, was nur 3, 2 oder 1° kalt ist. Deshalb sinkt im Winter das wärmste Wasser auf den Grund des Sees. Und das ermöglicht es Fischen, dort zu überleben. Fassen wir die wichtigsten Inhalte noch einmal kurz zusammen: Wenn man die innere Energie, also die Temperatur eines Körpers erhöht, so dehnt sich dieser aus. Dass gleiche gilt für Flüssigkeiten. Wasser allerdings hat sein geringstes Volumen bei 4 °C. Und festes Wasser-Eis hat ein größeres Volumen als flüssiges Wasser. Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit beim Thema Volumenänderung.  

11 Kommentare

11 Kommentare
  1. zu schnell gesprochen
    aber sonst gut /:

    Von Jan Jac, vor fast 2 Jahren
  2. Danke!Das hilft mir bei meiner Klausur die ich mit einer 1 bestanden hab.

    Von Ben G., vor etwa 2 Jahren
  3. Sehr hilfreiches Video! Vielen Dank! 👍🏻🤓👍🏻

    Von Yumie, vor mehr als 2 Jahren
  4. super Video hat sehr geholfen

    Von Lea Baumann, vor fast 5 Jahren
  5. Ab wann (wieviel Grad Celsius/Kelvin) zieht sich gefrierendes Eis wieder zusammen? Habe davon noch nie gehört.

    Klar, dass sich ja Wasser auch zusammenziehen müßte, wenn sich andere Festkörper auch immer mehr zusammenziehen bei sinkenden Temperaturen.

    Von Juliane Viola D., vor mehr als 5 Jahren
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Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Volumenänderung von Festkörpern und Flüssigkeiten kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, inwiefern die Temperatur mit der Änderung des Volumens eines Festkörpers zusammenhängt.

    Tipps

    Was passiert, wenn eine Wasserflasche im Gefrierschrank über Nacht liegen bleibt?

    Stelle dir vor, dass du vier Würfel, jeweils aus Blei, Stahl, Gold oder Kupfer bestehend, erhitzt. Erwartest du, dass sich alle Würfel im gleichen Maße ausdehnen?

    Lösung

    Eine Veränderung der Temperatur führt zu einer Veränderung des Volumens. Dies hast du im Alltag sicherlich schon oft erlebt. So können Wasserflaschen, welche im Gefrierschrank liegen gelassen werden, platzen. Hier hat sich beim Abkühlen das Wasser sehr stark ausgedehnt.

    Doch dehnen sich alle Stoffe gleich stark aus? Nein, denn die Änderung des Volumens ist abhängig vom dem Material, das erwärmt wird.

    Wasser stellt sogar eine der wenigen Ausnahmen dar. Die meisten anderen Stoffe ziehen sich bei Abkühlung zusammen und dehnen sich bei Erwärmung aus.

  • Gib an, warum Eisenbahnschienen nicht am Stück verlegt werden.

    Tipps

    Was ist eine Dehnungsfuge?

    Was passiert, wenn sich Schienen im Sommer erhitzen?

    Lösung

    Wenn sich ein Festkörper erhitzt, dann dehnt er sich aus. Dies gilt insbesondere für Metalle und somit auch für Schienen. Das Volumen der Schienen verändert sich somit im Sommer. Die Masse jedoch ist dabei immer dieselbe.

    Würden die Schienen am Stück verlegt werden und sich dann im Sommer ausdehnen, so würden sie sich verbiegen und im schlimmsten Fall brechen. Dies wäre enorm gefährlich.

    Um das zu verhindern, werden Schienen in kleinen Stücken verlegt. Zwischen den jeweiligen Schienenstücken befinden sich kleine Freiräume: die sogenannten Dehnungsfugen. Diese ermöglichen es den Schienen, sich im Sommer ausdehnen zu können.

  • Gib an, was man unter der Anomalie des Wassers versteht.

    Tipps

    Wie kann es sein, dass Fische im Winter unter dem Eis im Wasser schwimmen können?

    Lösung

    Die Anomalie des Wassers fasst zwei Eigenarten des Wassers zusammen. Die erste Eigenart ist, dass das Volumen von Wasser bei vier Grad Celsius am geringsten ist. Erwarten könnte man, dass dieses Minimum des Volumens bei null Grad Celsius (dem Gefrierpunkt) liegt. Jedoch dehnt sich das Wasser ab vier Grad Celsius aus: beim Erwärmen und beim Abkühlen.

    Die zweite Eigenart des Wasser ist, dass gefrorenes Wasser beziehungsweise Eis ein größeres Volumen als flüssiges Wasser hat. Aus diesem Grund schwimmt Eis auch oben auf dem Wasser und sinkt nicht auf den Grund.

  • Gib an, welche dieser Stoffe sich beim Erhitzen von $0°C-100°C$ immer weiter ausdehnen.

    Tipps

    Überlege dir, welche Stoffe sich beim Erhitzen immer ausdehnen und welche nicht.

    Was versteht man unter der Anomalie des Wassers?

    Lösung

    Um diese Aufgabe lösen zu können, solltest du dich fragen, welche Stoffe sich zwischen $0°C$ und $100°C$ ausdehnen und welche nicht.

    Wenn alle Stoffe dies tun würden, wäre die Aufgabe recht einfach und du könntest alle Antworten mit dem grünen Stift markieren. Doch leider gibt es wie so oft eine Ausnahme.

    In diesem Fall ist es das Wasser, welches sich nicht immer ausdehnt. Die Anomalie des Wassers besagt nämlich, dass Wasser sein geringstes Volumen bei vier Grad Celsius besitzt. Somit dehnt sich das Wasser von $0°C-4°C$ nicht aus, sondern zieht sich zusammen. Von $4°C-100°C$ dehnt sich das Wasser dann weiter aus. Somit ist die Antwort Wasser mit dem violetten Stift zu markieren.

    Selbiges gilt übrigens auch für den Tee, welcher ja bis auf einzelne Geschmacksstoffe zu über $99\%$ aus Wasser besteht.

  • Gib an, wie viel größer der Eiffelturm im Sommer im Vergleich zum Winter ist.

    Tipps

    $1~m=100~cm=1.000~mm=1.000.000.000~nm$

    Der Eiffelturm steht in Paris und ist 301 Meter hoch.

    Lösung

    Um die Aufgabe lösen zu können, versuchen wir alle vier möglichen Antworten abzuschätzen.

    Der Eiffelturm ist circa 300 Meter hoch. Ist es möglich, dass sich der Eiffelturm um 10 Meter im Sommer vergrößert? Falls ja, so würde er bei einen spontanen Regen im Hochsommer auch innerhalb weniger Sekunden einige Meter kleiner werden, da sich die Temperatur verringern würde. Das wäre für Besucher des Eiffelturm recht gefährlich. Somit können wir diese Antwort ausschließen.

    Wie verhält es sich mit der Antwort 10 Nanometer? Diese Strecke ist viel zu klein, da schon ein Eisenatom circa 0,15 Nanometer groß ist. Die Ausdehnung eines 300 Meter hohen Turms um nur einige Atomdurchmesser wäre keiner Rede wert.

    Bleibt die Frage offen, ob der Turm sich um 10 Zentimeter oder 10 Millimeter ($=$1 Zentimeter) ausdehnt.

    Tatsächlich dehnt sich der Eiffelturm um ganze 10 Zentimeter aus.

  • Gib an, wie die jeweiligen Aggregatzustände mit der Temperatur zusammenhängen.

    Tipps

    Die roten Punkte stellen die Atome im jeweiligen Körper dar. Die schwarzen Pfeile symbolisieren die Intensität der Bewegung der Atome.

    Feststoffe werden in der Physik mit Rechtecken dargestellt, während Flüssigkeiten mit unregelmäßig geformten und abgerundeten Objekten dargestellt werden.

    Lösung

    Um die Bilder passend zuzuordnen, sollte man sich fragen, was man in den Bildern genau sieht.

    So stellen die roten Punkte die Atome im jeweiligen Körper dar. Die schwarzen Pfeile symbolisieren hingegen die Intensität der Bewegung der Atome.

    Weiterhin werden in der Physik Feststoffe mit Rechtecken und Flüssigkeiten mit unregelmäßig geformten und abgerundeten Objekten dargestellt.

    Erwärmt sich nun der Feststoff (das Rechteck), so bewegen sich (schwingen) die Atome schneller. Tatsächlich kann die Temperatur einzelner Atome oder Moleküle nur über diese Schwingung bestimmt werden. Die Temperatur eines Atoms selbst kann ja nicht mit einem Thermometer ermittelt werden. Allein die Bewegung des Atoms gibt Aufschluss über die jeweilige Temperatur. Und je schneller diese Bewegung ist, desto wärmer ist auch der jeweilige Körper.

    Somit ist das Rechteck mit den kleineren Pfeilen ein kalter Feststoff und das Rechteck mit den größeren Pfeilen ein warmer Feststoff.

    Gleiches gilt für die Flüssigkeiten. Die großen Pfeife repräsentieren eine warme Flüssigkeit und die kleinen Pfeile eine kalte Flüssigkeit.

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