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Thermisches Verhalten

Die drei Aggregatzustände und Übergänge zwischen ihnen bei Wärmezufuhr bzw. -abfuhr

Verhalten der Stoffe unter Temperaturänderung

Wie Menschen auf verschiedene Temperaturen reagieren ist kein Geheimnis. Ist es im Winter draußen kalt, so ziehen sie sich lange und dicke Klamotten an, damit sie nicht zittern müssen. Im Sommer hingegen würden viele Menschen am liebsten alles ausziehen, weil sie so schwitzen. Die Wärme bestimmt also in gewissen Maßen unser Verhalten. Dies trifft wahrscheinlich auch auf dich zu. Aber wie ist das mit Dingen und Stoffen? Gegenstände können zwar nicht schwitzen und zittern, aber auch sie reagieren auf Temperaturänderungen

Das bekannteste Beispiel ist flüssiges Wasser. Wird es sehr kalt so gefriert das Wasser zu Eis; es wird fest. Erhitzt du es in einem Topf auf über 100 °C so siedet es und beginnt zu verdampfen; es wird gasförmig. Dies trifft aber nicht nur auf Wasser zu sondern auf jeden Stoff. Auch Glas und Metall kann bei genügend hoher Temperatur schmelzen. Und auch Luft kann flüssig werden, wenn es nur kalt genug ist.

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Die drei Zustände fest, flüssig und gasförmig bezeichnet man als Aggregatzustände. Unter Temperaturänderung reagieren Stoffe mit einer Zustandsänderung von einem in einen anderen Aggregatzustand.

Zustandsänderung

Der Übergang von fest zu flüssig bzw. von flüssig zu fest wird Schmelzen bzw. Erstarren genannt. Beim Übergang von flüssig zu gasförmig spricht man von Verdampfen, der umgekehrte Fall ist das Kondensieren. Darüber hinaus ist es möglich, dass ein Stoff vom gasförmigen Zustand direkt fest wird. Das kannst du zu Hause in der Gefriertruhe feststellen: An den Innenwänden ist überall Eis, obwohl wahrscheinlich niemand flüssiges Wasser in die Truhe gefüllt hat. Das Eis stammt vom Wasserdampf, der sich in der Luft befindet und der sofort an den Innenwänden gefriert. Diesen Vorgang nennt man (Re)sublimieren.

Die Rolle der Wärme

Wie oben beschrieben, musst du einen Topf mit Wasser auf dem Herd erhitzen, um das flüssige Wasser zum sieden zu bringen und damit in den gasförmigen Zustand übergehen zu lassen. Aber warum ist das so? Die entscheidende physikalische Größe ist die Wärme. Über die Herdplatte fügst du dem Wasser Wärme hinzu, um es zu erhitzen und zu verdampfen. Das selbe gilt für das Schmelzen von Eis. Vielleicht kannst du dir jetzt erklären, warum du zunächst kurz frierst, wenn du aus dem Wasser kommst obwohl die Sonne scheint? Die Antwort ist, dass die flüssigen Wassertropfen auf deiner Haut verdampfen und dabei Wärme von deiner Haut absorbieren. Beim Erstarren oder Kondensieren gibt das Wasser hingegen Wärme an die Umgebung ab.

Wenn du einen Topf Wasser erhitzt um Tee zu kochen, wirst du feststellen, dass es einige Zeit dauert bis das Wasser so richtig heiß ist. Wenn du dann aber einen Metalllöffel benutz, um deinen Tee umzurühren, dann ist dieser plötzlich viel schneller heiß. Der Grund warum sich verschiedene Materialien schneller als andere erhitzen ist die Wärmekapazität. Die Wärmekapazität ist eine spezifische Eigenschaft eines jeden Stoffes und gibt an, wie viel Wärme einem Kilogramm des Stoffes hinzugefügt werden muss, damit dessen Temperatur sich um ein Grad Celsius erwärmt.

Volumen- und Längenänderung

Ist es nicht schlimm, dass man immer im Stau steht wenn man es gerade eilig hat? Ständig ist irgendwo eine Baustelle auf der Straße. Doch warum ist das so? Das folgende ist sicher nicht der einzige Grund, aber es trägt dazu bei: Die Länge der Straße verändert sich im Winter und im Sommer, was zu Rissen im Asphalt führen kann, die dann repariert werden müssen.

Stoffe können ihre Länge bzw. ihr Volumen ändern: Sie werden größer wenn die Temperatur steigt. Gasflaschen (z.B. Deodorant) platzen, wenn sie in der Sonne liegen und Luftballons werden größer, weil sich der gasförmige Stoff darin ausdehnt. Marmeladengläser sind beim ersten mal schwer zu öffnen, weil sie heiß befüllt, verschlossen und dann abgekühlt werden. Dabei zieht sich die Luft im Glas zusammen und drückt den Deckel ganz fest zu. Dieses Verhalten lässt sich im Teilchenmodell erklären: Ein Stoff besteht aus vielen kleinen Teilchen, die sich ständig bewegen. Je heißer ein Stoff ist, desto mehr bewegen sich die Teilchen und benötigen daher mehr Platz, was dazu führt, dass der Stoff sich ausdehnt.

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Im Allgemeinen erhöht sich das Volumen eines Soffes, wenn er heißer wird und sein Volumen verringert sich, wenn er kälter wird. Wasser bildet dort aber ein Ausnahme: Aufgrund der sogenannten Anomalie des Wassers hat Wasser sein kleinstes Volumen nicht etwa als Eis sondern bei etwa 4 °C. Daher schwimmen Eisberge auf dem Wasser und können Fische im Winter überleben.

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