Physikunterricht Klasse 7a und 7b SGS Tanna 2019/2020

• a) Ein flüssiger Tropfen Tinte kann sich im (flüssigen) Wasser verteilen, weil die Teilchen in Flüssigkeiten nach dem Teilchenmodell frei verschiebbar sind und deren Wirkungen untereinander relativ klein sind (beachte hierfür die Tabelle im Buch auf Seite 69 Spalte "Flüssigkeiten").
• b) Luft als Gas kann man zusammendrücken, weil die Teilchen in einem gasförmigen Stoff keinen festen Platz haben, deren Abstand untereinander relativ groß ist und die Wirkungen zwischen ihnen relativ klein sind (beachte hierfür die Tabelle im Buch auf Seite 69 Spalte "Gase").

Der Temperaturunterschied beträgt 14 °C.

• Eine vereinfachte Erklärung mit Hilfe des Teilchenmodells ist, dass sich die Teilchen bei Temperaturänderungen unterschiedlich schnell bewegen und dabei entweder mehr oder weniger Raum einnehmen (temperaturabhängige Volumenänderung von Stoffen, vergleiche z. B. mit der Simulation unter dem Link https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-basics_de.html). Damit die frei beweglichen Teilchen der eingeschlossenen Getränke-Flüssigkeit bei (relativ geringen) Temperaturschwankungen noch ausreichend Platz für ihre temperaturabhängigen Bewegungen haben, sind die (festen) Flaschen, deren Teilchen sich nicht so einfach verschieben lassen wie die der Flüssigkeit, nicht bis zum Rand gefüllt.

Das linke Q(m)-Diagramm veranschaulicht die Zusammenhänge zwischen der Wärme Q in Kilojoule kJ und der Masse m in Gramm g für Wasser (blaue Gerade) und Olivenöl (rote Gerade) bei einer Temperaturerhöhung von 40 Kelvin K. Dabei wird deutlich, dass die Gerade des Wassers steiler verläuft als die des Olivenöls (fast doppelt so steil). Das bedeutet, dass Wasser mehr Wärme als Olivenöl bei gleicher Temperaturänderung aufnimmt. Wasser kann somit mehr Wärme speichern als Olivenöl. Deshalb wird zum Beispiel Wasser fast immer als Speichermedium von Wärme in Heizungsanlagen verwendet.

• Im Text werden die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig genannt.
• Für die spezifische Schmelzwärme wird das Formelzeichen \(q_S\) und die Einheit \(1\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\) (ein Kilojoule je Kilogramm) angegeben.
• Für Quecksilber ist eine Schmelzwärme \(q_S = 12\,\frac{kJ}{kg}\) angegeben.
• Für die Stoffe in der Tabelle hat Platin die höchste Schmelztemperatur.
• Für die Stoffe in der Tabelle muss Aluminium die meiste Wärme pro Kilogramm zugeführt werden, um ihn zum Schmelzen zu bringen.

Die Aussage, dass bei den meisten Stoffen das Volumen des flüssigen Körpers größer ist als das Volumen des festen Körpers kann man in der rechten Abbildung an der Höhe des flüssigen Kerzenwachses erkennen. In der oberen Abbildung ist das Wachs flüssig und reicht fast bis zum oberen Rand der Kerze oder Dochtes während in der unteren Abbildung das Wachs fest ist und deutlich weniger Raum einnimt (der Docht erscheint länger).

Beobachtung: Das Wasser nimmt im festen Aggregatzustand (Eis, gefrorenes Wasser) deutlich mehr Raum in dem Gefäß ein (größeres Volumen) als vorher im flüssigen Zustand bevor ich es in den Gefrierschrank stellte.

• Für die spezifische Verdampfungswärme wird das Formelzeichen \(q_V\) und die Einheit \(1\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\) (ein Kilojoule je Kilogramm) angegeben.
• Für Gold ist eine Siedetemperatur von 2707 °C angegeben.
• Für die Stoffe in der Tabelle hat Stickstoff die niedrigste Siedetemperatur.
• Für die Stoffe in der Tabelle muss Eisen die meiste Wärme pro Kilogramm zugeführt werden, um ihn zum Sieden zu bringen.

Ich schließe mich Julias Behauptung an, dass sich die Temperatur nicht immer erhöht, wenn Wärme zugeführt wird. Zum Beispiel wird beim Sieden von Wasser Verdampfungswärme zugeführt, ohne dass sich dabei die Temperatur ändert (siehe Buch auf Seite 82). Auch beim Schmelzen eines Stoffes ändert sich die Temperatur nicht, obwohl Wärme zugeführt wird (siehe Buch auf Seite 80).

Wenn der Brillenträger das Zimmer betritt beschlägt seine Brille. Dabei geht Wasser von seinem gasförmigen Zustand (Wasserdampf) in der Raumluft in seinen flüssigen Zustand auf dem Brillenglas über (Kondensation). Weil die Temperatur der Brille beim Betreten des Raumes - aufgrund der kalten Winterluft im Außenbereich - noch geringer ist als die Temperatur der Raumluft, nimmt die Brille den Teil der Wärme auf, die der Wasserdampf der Raumluft beim Kondensieren (Beschlagen auf der Brille) abgibt. Dabei gleichen sich die Temperatur der Brille und der Raumluft an.

• Eine Flüssigkeit verdunstet umso schneller, je größer ihre Oberfläche ist, je höher ihre Temperatur ist und je schneller der verdunstete Anteil abgeführt werden kann.
• Wir regulieren unsere Körpertemperatur (Thermoregulation) zum Großteil durch Schweiß der auf unserer Oberfläche (Haut, Haare) verdunstet. Durch das Verdunsten wird dem Körper Wärme entzogen und kühlt ihn. Zusatz: Durch das Wechseln der Kleidung kann der verdunstete Anteil schneller (z. B. "Funktionskleidung" mit speziellen Oberflächen) oder auch langsamer (z. B. hohe Luftfeuchtigkeit/Nässe unter einem Regencape) abgeführt werden. Durch das Erweitern von Blutgefäßen (Vasodilatation) bei hohen Temperaturen oder deren Verengen (Vasokonstriktion) bei niedrigen Temperaturen kann die Durchblutung der Haut und damit der Abtransport von Wärme reguliert werden.

Wie schnell eine Flüssigkeit verdunstet hängt unter anderem davon ab, wie groß die Oberfläche ist (siehe Lehrbuch auf Seite 85). Die Oberfläche der Tongeföße ist relativ groß aufgrund deren porösen Struktur. Dies nutzten die Menschen im Altertum aus und füllten solche porösen Gefäße mit Wasser, damit dieses schneller verdunstet und dabei der Umgebung (hier Kühlgefäße) Wärme entzieht. Durch den Wärmeübergang von der Umgebung an das Wasser beim Verdunsten sinkt die Temperatur der Umgebung.