Teilchen in Bewegung

Was passiert mit den Teilchen, wenn Materie wärmer wird? Kann unsere Haut die Temperatur erfühlen? Was ist der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur? Kann man die Bewegung von Teilchen sehen? Und warum ist Wasser so besonders?

Arbeitsmittel

Temperatur

Wild umhertanzende Kinder brauchen mehr Platz, als sanft wippende. So ist es auch bei den Teilchen. Sie brauchen mehr Platz, wenn sie sich heftiger bewegen. Dadurch dehnen sich die Stoffe aus, wenn sie heißer werden. Das kennst du vom analogen Fieberthermometer: Je wärmer es wird, umso stärker dehnt sich die Flüssigkeit im Röhrchen aus und umso weiter steigt sie deshalb nach oben.

Ein Fieberthermometer aus Glas auf grünem Hintergrund
Fieberthermometer

Nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Gase und Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus. Brücken, Stromleitungen, Eisenbahnschienen und Rohrleitungen zum Beispiel müssen so konstruiert werden, dass sie trotz Ausdehnung intakt bleiben.

Eisenbahnschienen haben Dehnfugen, da sie sich bei Kälte zusammenziehen und bei Wärme ausdehnen.

Jetzt weißt du, was passiert wenn die Teilchen sich bewegen. Aber was passiert wenn die Teilchen völlig still stehen? Dann wäre der Punkt erreicht, ab dem es nicht mehr kälter werden kann. Dieser absolute Nullpunkt liegt bei einer Temperatur von -273,15 °C. Deshalb wurde er als Nullpunkt der Kelvin Temperaturskala gewählt. Diese Temperaturskala kommt ohne negative Werte aus. 0 °C entspricht 273,15K.

Temperaturskalen im Vergleich: Kelvin, Grad Celsius und Grad Fahrenheit. (Grad Fahrenheit wird fast nur noch in den USA offiziell verwendet.)
Temperaturskalen

Anomalie des Wassers

Normalerweise dehnen sich Stoffe beim Erwärmen aus. Allerdings gibt es auch Ausnahmen (Anomalien). Betrachtet man das Temperaturprofil in einem winterlichen See, dann stellt man folgendes fest: Erwärmt man Wasser von 0 °C, dann zieht es sich bis 4 °C zusammen. In 4 °C kalten Wasser haben die Wasserteilchen den geringsten Abstand zueinander. Dadurch passen mehr Wasserteilchen in ein bestimmtes Volumen. Wasser bei 4 °C ist daher bei gleichem Volumen schwerer als Eis oder Wasser mit anderer Temperatur. Es sinkt in Seen zum Boden, während das Eis oben schwimmt.

Eiswürfel schwimmen an der Wasseroberfläche.
Eiswürfel schwimmen an der Wasseroberfläche.
0 °C 1 °C 2 °C 3 °C 4 °C Das Wasser am Grund eines zugefrohrenen Sees hat <sb-unit>4 °C</sb-unit>
Wasser ist am dichtesten bei 4 °C.

Wie erklärt man diese Anomalie des Wassers?

Im Eis bilden die Wassermoleküle ein regelmäßiges Gitter:

Wenn festes Eis bei Null Grad Celsius zu flüssigem Wasser wird, brechen nicht alle Molekülverbindungen gleichzeitig auf. Bis 4 Grad Celsius bleiben einige Moleküle miteinander verbunden. Erst bei 4 Grad Celsius sind alle Verbindungen aufgebrochen und die Wassermoleküle können nah zusammenrücken. Wasser hat daher bei 4 Grad Celsius das kleinste Volumen.

Unterschied zwischen Wärme und Temperatur

Wenn du statt dem Thermometer deine Hand verwendest um die „Temperatur“ zu fühlen, kann das sehr unterschiedlich ausgehen – wie warm deine Hand grade ist, wie gut der Gegenstand Wärme leitet und andere Faktoren beeinflussen unser Empfinden – wir spüren die übertragene Wärmemenge und nicht die Temperatur.

Metall- und Holzlöffel
Metalllöffel (guter Wärmeleiter) und Holzlöffel (schlechter Wärmeleiter)

Wenn wir Wärme sagen, meinen wir also etwas, was strömen oder sich übertragen kann, etwas das einen Mengenwert hat. Die Temperatur sagt uns etwas über die Qualität (Wie hoch? Wie stark schwingen die Teilchen?), die Wärme(menge) sagt uns auch etwas über die Quantität (Wie viel? Wie viele Teilchen schwingen?). 1 Liter Wasser mit 100 °C kann mehr Wärme abgeben als 1 Liter Wasser mit 20 °C.

Aber 1 Liter Wasser mit einer Temperatur von 20 °C kann mehr Wärme abgeben als ein Tropfen Wasser mit einer Temperatur von 100 °C. Es ist wie bei dem Sprichwort „Ein Tropfen auf dem heißen Stein“, der wenig ausrichten kann, um den Stein zu kühlen.

Brownsche Bewegung und Diffusion

Als der schottische Arzt und Botaniker Robert Brown 1827 Blütenstaub, das sich in Wasser befand, unter dem Mikroskop untersuchte, machte er eine spannende Beobachtung: Er sah nur wenige Mikrometer große Partikel zwischen den Blütenpollen, die unregelmäßige ruckartige Bewegungen vollführten. Das gleiche ließ sich auch mit Staubkörnchen ähnlicher Größe wiederholen. Es lag also nicht an der „Lebendigkeit“ der Pflanze. Mit dem Teilchenmodell lässt sich die beobachtete Bewegung erklären: Sie wird durch die ungeordneten Wärmebewegung der Atome und Moleküle der Flüssigkeit ausgelöst, die ständig an die etwas größeren Teilchen stoßen. Dadurch bewegen sich auch diese ruckartig hin und her.

Brownsche Bewegung
Brownsche Bewegung: Latexkügelchen im Mikroskop
Simulation eines Latexkügelchens (weiß) und Atomen und Molekülen der Flüssigkeit (schwarz)

Diese sogenannte Brownsche Bewegung führt dazu, dass sich Stoffe in Flüssigkeiten und Gasen mit der Zeit gleichmäßig verteilen. So kannst du den Keksduft aus dem Backofen auch bald im Kinderzimmer riechen und die Geschmackstoffe aus dem Teebeutel verteilen sich auch ohne Umrühren mit der Zeit gleichmäßig im heißen Wasser. Diesen Ausgleich von Konzentrationsunterschieden, der ohne äußere Einwirkung (wie Umrühren) zustande kommt, nennt man Diffusion.

Die Farbe des Tees breitet sich langsam in der durchsichtigen Tasse aus.
Teetasse mit Teebeutel
7. Teilchen in Bewegung
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