Material-Details Beschreibung Erstellen eines Hefteintrags zu zwei Versuchen. Statistik Autor/in Downloads Arbeitsblätter / Lösungen / Zusatzmaterial Die Download-Funktion steht nur registrierten, eingeloggten Benutzern/Benutzerinnen zur Verfügung. Textauszüge aus dem Inhalt: Inhalt Ausdehnung von Stoffen Du hast zwei Versuche gesehen, in denen gezeigt wird, dass sich Stoffe bei Erwärmung ausdehnen. 1. Beschreibe die Versuche (4. Klasse: Beschreibe einen der Versuche) und schreibe deine Beobachtungen möglichst genau auf. 2. Warum zeigen die Versuche, dass dieser Merksatz stimmt? Klebe den Merksatz in dein Heft und erkläre. Für alle Stoffe, ob fest, flüssig oder gasförmig gilt: Bei Erwärmung dehnen sie sich aus. 3. Findest du Beispiele aus deinem Alltag, bei denen du auch siehst, dass sich Stoffe beim Erwärmen ausdehnen? 4. Auch das Thermometer funktioniert mit der Ausdehnung von Flüssigkeiten. Erkläre, wie und warum ein Thermometer funktioniert?
Längenausdehnungskonstante ausgewählter Stoffe: Zink: 0, 000026 / grad K Eisen: 0, 000013 / grad K Aluminium: 0, 00024 / grad K Analog dazu lässt sich die räumliche Ausdehnung durch die Volumenausdehnungskonstante beschreiben. Diese gilt auch für Stoffe im flüssigen Zustand, welche keine Länge, jedoch ein Volumen besitzen. 2 Ausdehnung von Flüssigkeiten Die Volumenausdehnung flüssiger Stoffe ist 10-100 mal höher als bei Festkörpern. (z. B. Ethanol: 0, 0002 / grad K). Daneben verkleinert sich durch die gleichbleibende Masse bei erhöhtem Volumen die Dichte der Flüssigkeit. In diesem Zusammenhang sei die Einzigartigkeit des Wassers zu erwähnen, seine größte Dichte bei 4°C zu besitzen. Diese Erscheinung wird auch Anomalie des Wassers genannt. 3 Ausdehnung von Gasen Die räumliche Ausdehnung von Gasen lässt sich am deutlichsten Erkennen. Dies liegt an deren deutlich höheren Volumenausdehnungskonstante. Luft = 0, 0037/grad K) Der Druck bleibt konstant, so lange man das Gas nicht, durch bspw. ein geschlossenes Gefäß, an der Ausdehnung hindert.
1 Volumenänderung einer Flüssigkeit bei Erwärmung Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten kannst du wie in der Animation dargestellt relativ einfach untersuchen. Dazu setzt du auf einen mit Flüssigkeit gefüllten Glaskolben ein enges Steigrohr (Kapillarrohr). Nun erwärmst du die Flüssigkeit im Kolben bspw. mit Hilfe eines Bunsenbrenners. Die sich ergebende Volumenänderung kannst du nun am Steigrohr beobachten. Raumausdehnungskoeffizient Joachim Herz Stiftung Abb. 2 Volumenänderungen verschiedener Flüssigkeiten Für verschiedene Flüssigkeiten im Kolben kannst du verschiedene Volumenänderungen feststellen. Die Grafik in Abb. 2 vergleicht die Volumenänderungen verschiedener Flüssigkeiten. Mit Hilfe des Experimentes kannst Du, bei bekannter Geometrie des Steigrohres, auch den sog. Raumausdehnungskoeffizienten \(\gamma\) bestimmten. Dieser Wert ist eine Materialkonstante und gibt an, wie stark sich ein Stoff bei der Erwärmung um ein Kelvin relativ zu seinem Ausgangsvolumen ausdehnt. Du kannst ihn berechnen mit der Formel \[\gamma=\frac{\Delta V}{ {V_0} \cdot \Delta \vartheta}\] wobei \(V_0\) das Ausgangsvolumen, \(\Delta V\) die Volumenänderung und \(\Delta \vartheta\) die Temperaturänderung ist.
Durch den Anstieg der Temperatur schwingen, bzw. rotieren die einzelnen Teilchen eines Stoffes schneller (Molekularbewegung), was einen erhöhten Abstand zwischen denselben zur Folge hat. (Beim absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin gibt es keine Molekularbewegung. ) Der Stoff dehnt sich aufgrund des erhöhten Platzbedarfs aus und vergrößert seine Längen-, bzw. Volumenausdehnung. Diese ist von unterschiedlichen molekularen Anziehungskräften (van-der-Waals Kräfte, Wasserstoffbrücken etc. ) abhängig. Hierdurch lassen sich die Unterschiede von Stoffen in festem, flüssigem und gasförmigen Zustand erklären. 1 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Ausdehnung von festen Stoffen Feste Stoffe dehnen sich beim Erwärmen in alle räumlichen Richtungen aus. Dabei unterscheidet man zwischen der Längenausdehnung in der Ebene und der Volumenausdehnung in den Raum. Die Längenausdehnung eines Stoffes wird durch die Längenausdehnungskonstante α beschrieben und durch die Einheit 1/grad Kelvin angegeben. Sie zeigt um welchen Faktor sich ein Körper bei der Erhitzung um 1°C ausdehnt.
Wärmeausdehnung von Gasen Gase lassen sich leicht zusammendrücken (Fussball, Velopneu). Dadurch steigt ihr Druck. Bei Ausdehnungsversuchen muss darum darauf geachtet werden, dass sich der Gasdruck nicht ändert. Die austretende Luft wird sichtbar, wenn sie als Blase durch das Wasser austritt. Bei der Wärmeausdehnung von Luft entstehen Winde (Thermik), ebenfalls ist das Prinzip des Heissluftballons eine Folge davon. Seewind Landwind Morgens wärmt sich die Luft über dem Abends kühlt sich die Luft über dem Land schneller und steigt auf. Kühlere Wasser langsamer ab und steigt Luft strömt vom See her an ihre Stelle. noch auf. Vom Land her strömt kühlere Luft an ihre Stelle. Thermik
Wenn die Flüssigkeiten nicht weiter steigen, das Wasserbad und die Flüssigkeiten in den Kolben also die gleiche Temperatur haben, misst du wieder die Temperatur und bestimmst den Anstieg \(\Delta h\) der Flüssigkeiten in den Rohren. Versuchsdurchführung und Auswertung im Video Beobachtung Beide Flüssigkeiten steigen beim Erwärmen in den Glasröhren nach oben. Dabei steigt aber der Ethanolpegel deutlich stärker als der Wasserpegel. Kühlst du die Flüssigkeiten wieder ab, so sinken die Pegel in den Glasröhren sinken. Versuchsauswertung (qualitativ) Sowohl Wasser als auch Ethanol dehnen sich beim Erwärmen aus. Ethanol dehnt sich jedoch deutlich stärker aus als Wasser. Versuchsauswertung (quantitativ) Für den Volumenausdehnungskoeffizienten \(\gamma\) gilt allgemein \(\gamma=\frac{\Delta V}{ {V_0} \cdot \Delta \vartheta}\), wobei \(\Delta V\) die Volumenänderung, \(V_0\) das Ausgangsvolumen und \(\Delta \vartheta\) die Temperaturänderung ist. Die Volumenänderung \(\Delta V\) entspricht im Experiment gerade dem Flüssigkeitsvolumen, welches sich im Glasrohr oberhalb der Startmarkierung befindet, also \(\Delta V=\pi\cdot r^2 \cdot \Delta h\).
Deshalb wird er von Gewichten straff gehalten. Betonplatten von Bauwerken dehnen sich ebenfalls aus. Deshalb befinden sich zwischen ihnen Dehnungsfugen. Beim Verlegen von dicken Rohrleitungen baut man Bogen ein, damit die Rohre sich bei Erwärmung ausdehnen können. Dies wird zum Beispiel auch eingetzt, damit ein Kugellager fest auf einer Welle sitzt. Aufschrumpfen eines Kugellagers auf eine Antriebswelle. Man erwärmt das Lager, dadurch dehnt es sich aus. Danach bringt man es auf die Welle. Anschließend kühlt das Lager kühlt sich und zieht sich zusammen. Dann sitzt es fest auf der Welle. Merke: Feste Körper dehnen sich bei Erwärmung aus. Dabei vergrößern sich Länge, Oberfläche und Volumen. Beim Abkühlung ziehen sie sich wieder zusammen. Wenn man das Zusammenziehen verhindert, entstehen große Kräfte. Wie stark dehnt sich Metall aus? Wegen Temperaturschwankungen ändert sich die Lage der Brücke dauernd. Daher muss sie auf den Pfeilern und an den Enden auf Rollen gelagert werden. Außerdem braucht sie noch Dehnungsfugen an den beiden Enden.
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