Abschnittsübersicht

◄10a-Energieübertragung
►10c-Druck und Gasgesetz

    • Teilchenmodell

      Das Teilchenmodell beschreibt Stoffe als Ansammlungen winziger Teilchen, die ständig in Bewegung sind. Je nach Aggregatzustand liegen die Teilchen unterschiedlich dicht zusammen und bewegen sich unterschiedlich stark. In Feststoffen sitzen sie eng beieinander und schwingen nur leicht. In Flüssigkeiten können sie aneinander vorbeigleiten. In Gasen bewegen sie sich schnell und weit auseinander. Dieses Modell hilft zu verstehen, warum Stoffe bestimmte Eigenschaften besitzen, etwa eine feste Form, fließendes Verhalten oder Ausdehnung.

    • 10b.1) Teilchenmodell Test
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    • Diffusion

      Diffusion ist das selbstständige Vermischen von Teilchen. Die Teilchen bewegen sich zufällig in alle Richtungen und breiten sich dadurch gleichmäßig im verfügbaren Raum aus. Das erkennt man zum Beispiel, wenn Tinte im Wasser ohne Umrühren langsam in alle Richtungen zieht. Die Bewegung der Teilchen sorgt dafür, dass Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden. Je höher die Temperatur, desto schneller verläuft die Diffusion, weil die Teilchen sich stärker bewegen.

    • 10b.2) Diffusion Test
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    • Temperaturskala in Celsius und Kelvin

      Die Celsius-Skala nutzt als Orientierungspunkte den Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C und den Siedepunkt bei 100 °C. Die Kelvin-Skala beginnt bei 0 K. Dieser Punkt wird absoluter Nullpunkt genannt. Er beschreibt den Zustand, in dem die Teilchen eines Stoffes keine Bewegungsenergie mehr besitzen. Die Kelvin-Skala verschiebt die Celsius-Skala um 273,15 nach oben. Die Größe eines Kelvin entspricht exakt der Größe eines Celsiusgrades. Wenn man die Temperatur in Kelvin angibt, lässt sich die Teilchenbewegung im Teilchenmodell direkt besser deuten, weil 0 K den theoretischen Zustand ohne Bewegungsenergie darstellen.

    • 10b.3) Temperaturskala Test
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    • Druck in Gasen

      Gase bestehen aus vielen schnell bewegten Teilchen, die in alle Richtungen fliegen. Wenn diese Teilchen auf die Wände eines Gefäßes treffen, üben sie dort eine Kraft aus. Diese vielen Zusammenstöße sorgen für Druck. Je mehr Teilchen in einem bestimmten Raum sind oder je schneller sie sich bewegen, desto häufiger und kräftiger stoßen sie an die Wände. Der Druck steigt. Wird ein Gas erwärmt, bewegen sich die Teilchen stärker und der Druck nimmt zu. Wird ein Gas zusammengedrückt, bleiben die Teilchen in kleinerem Raum und treffen häufiger aufeinander und auf die Wände. Dadurch steigt der Druck ebenfalls.

    • 10b.4) Druck in Gasen Test
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    • Druck: eine Formel

      Der Druck p gibt an, wie stark eine Kraft F auf eine bestimmte Fläche A wirkt. Er berechnet sich mit der Formel:

      p = \frac{F}{A}

      Die Einheit des Drucks ist Pascal, abgekürzt Pa.

      Häufig wird auch die Einheit bar genutzt. 1 bar ist ungefähr der Luftdruck der Atmosphäre. 1 bar sind 100 000 Pa.

      Wirkt die gleiche Kraft auf eine größere Fläche, ist der Druck kleiner. Wirkt sie auf eine kleinere Fläche, ist der Druck größer.
    • 10b.5) Druck p=F/A Test
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    • Erwärmen, Schmelzen und Kochen von Wasser

      Beim Erwärmen von Wasser nehmen die Teilchen Energie auf und bewegen sich schneller. Die Temperatur steigt dabei kontinuierlich. Die zugeführte Wärme lässt sich mit dieser Formel berechnen.

      Q = c \cdot m \cdot \Delta T

      • \(Q\): zugeführte Wärmeenergie
      • \(c\): spezifische Wärmekapazität \(c_{Wasser}=4,18 \frac{kJ}{kg\cdot K}\)
      • \(m\): Masse des Wassers
      • \(\Delta T\): Temperaturänderung

      Dabei steht m für die Masse des Wassers, c für die spezifische Wärmekapazität und ΔT für die Temperaturänderung.

      \(c_{Wasser}=4,18 \frac{kJ}{kg\cdot K}\)

      Erreicht Wasser 0 °C, beginnt Eis zu schmelzen. Während des Schmelzens bleibt die Temperatur konstant, obwohl weiter Energie zugeführt wird. Diese Energie wird genutzt, um die festen Bindungen zwischen den Wasserteilchen zu lösen. Die benötigte Schmelzwärme berechnet man mit Q = m · s, wobei s die spezifische Schmelzwärme ist.

      \(s_{Wasser}=334 kJ/kg\)

      Erreicht flüssiges Wasser 100 °C, beginnt es zu kochen. Auch hier bleibt die Temperatur während des Kochens konstant. Die zugeführte Energie sorgt dafür, dass die Teilchen vollständig in den gasförmigen Zustand übergehen. Die dafür nötige Verdampfungswärme lässt sich mit Q = m · r bestimmen, wobei r die spezifische Verdampfungswärme ist.

      \(r_{Wasser}=2256 kJ/kg\)

      Diese Vorgänge zeigen, dass Temperaturänderung und Zustandsänderung unterschiedliche Arten von Energieaufnahme erfordern.

    • Phasendiagramm: Erwärmen von 1 kg Wasser (T gegen E)

      y‑Achse: Temperatur T in °C oder K • x‑Achse: zugeführte Energie E [kJ]
      Temperatur‑Einheit:
      Verwendete Konstanten (gerundete typische Werte): cEis = 2.108 kJ/(kg·K), sWasser = 333,55 kJ/kg, cWasser = 4.186 kJ/(kg·K), rWasser = 2256,9 kJ/kg, cDampf = 2,01 kJ/(kg·K).
    • 10b.6) Erwäremen von Wasser Test
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