Die kinetische Gastheorie erklärt die Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern durch die Bewegung von Teilchen:
Grundannahmen:
1. Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen (Atome, Moleküle)
2. Diese Teilchen sind ständig in Bewegung
3. Zwischen den Teilchen wirken Kräfte (Anziehung und Abstoßung)
4. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen
Aggregatzustände:
- Fest: Teilchen schwingen um feste Positionen
- Flüssig: Teilchen bewegen sich, bleiben aber zusammen
- Gasförmig: Teilchen bewegen sich frei und unabhängig
Die Brownsche Bewegung ist der Beweis für die Teilchenbewegung:
Beobachtung:
Kleine Partikel (z.B. Pollenkörner) in Wasser zeigen eine zufällige, zickzack-förmige Bewegung.
Erklärung:
Die unsichtbaren Wassermoleküle stoßen ständig gegen die sichtbaren Partikel und setzen sie in Bewegung.
Bedeutung:
Dies war der erste direkte Nachweis, dass Materie aus sich bewegenden Teilchen besteht.
Eigenschaften:
- Findet in Gasen, Flüssigkeiten und (langsam) in Feststoffen statt
- Läuft von selbst ab (ohne äußere Einwirkung)
- Läuft von Bereichen hoher zu niedriger Konzentration
- Ist temperaturabhängig (höhere Temperatur → schnellere Diffusion)
Beispiele:
- Parfüm verteilt sich im Raum
- Tee färbt sich im heißen Wasser
- Zucker löst sich in Kaffee
Beobachtung: Nach kurzer Zeit riecht man das Parfüm im ganzen Raum.
Erklärung: Die Parfümmoleküle bewegen sich durch die ständige Bewegung der Luftmoleküle im ganzen Raum verteilt. Die Diffusion ist in Gasen am schnellsten.
Die Geschwindigkeit der Diffusion hängt von der Temperatur ab:
Höhere Temperatur:
- Teilchen bewegen sich schneller
- Mehr Zusammenstöße
- Schnellere Vermischung
Beispiel:
Tinte in heißem Wasser verteilt sich viel schneller als in kaltem Wasser.
Anwendungen:
- Kochen (Gewürze verteilen sich schneller in heißem Wasser)
- Atmung (Sauerstoff diffundiert durch die Lungenbläschen)
Es gibt zwei wichtige Temperaturskalen:
1. Celsius-Skala (°C)
- Alltagsskala
- 0°C = Schmelzpunkt von Wasser
- 100°C = Siedepunkt von Wasser (bei 1 bar)
2. Kelvin-Skala (K)
- Absolute Temperaturskala
- 0 K = absoluter Nullpunkt (-273,15°C)
- Kein "Grad" beim Kelvin!
Umrechnung:
T(K) = T(°C) + 273,15
oder vereinfacht:
T(K) = T(°C) + 273
Beispiele:
- 0°C = 273 K
- 20°C = 293 K
- 100°C = 373 K
Lösung:
T(K) = T(°C) + 273
T(K) = 25 + 273 = 298 K
Antwort: 25°C entsprechen 298 Kelvin.
Der absolute Nullpunkt (0 K = -273,15°C) ist die tiefstmögliche Temperatur:
Bedeutung:
- Bei 0 K haben die Teilchen die geringstmögliche Energie
- Die Teilchenbewegung kommt (fast) zum Stillstand
- Diese Temperatur kann praktisch nicht erreicht werden
Warum Kelvin in der Physik?
- Bei 0 K ist die Temperatur wirklich "Null"
- Viele physikalische Gesetze (z.B. Gasgesetze) funktionieren nur mit Kelvin
- Verhältnisse sind sinnvoll: 200 K ist doppelt so warm wie 100 K
Der Druck in einem Gas entsteht durch die Stöße der Gasteilchen gegen die Wände:
Je mehr Teilchen:
- Mehr Stöße gegen die Wand
- Höherer Druck
Je schneller die Teilchen (höhere Temperatur):
- Härtere Stöße
- Höherer Druck
Je kleiner das Volumen:
- Teilchen sind dichter zusammen
- Mehr Stöße pro Fläche
- Höherer Druck
Dies erklärt die Gasgesetze aus der Teilchensicht!
Beim Zuführen von Wärmeenergie können drei Dinge passieren:
1. Erwärmen
- Temperatur steigt
- Teilchen bewegen sich schneller
- Aggregatzustand bleibt gleich
2. Schmelzen (fest → flüssig)
- Temperatur bleibt konstant (Schmelztemperatur)
- Energie wird genutzt, um Bindungen zu lösen
- Beispiel: Eis → Wasser bei 0°C
3. Verdampfen (flüssig → gasförmig)
- Temperatur bleibt konstant (Siedetemperatur)
- Energie wird genutzt, um alle Bindungen zu lösen
- Beispiel: Wasser → Wasserdampf bei 100°C
Wichtig: Beim Phasenübergang ändert sich die Temperatur NICHT, obwohl Energie zugeführt wird!
Phasen:
1. Eis erwärmt sich von -10°C auf 0°C (Temperatur steigt)
2. Eis schmilzt bei 0°C (Temperatur bleibt bei 0°C)
3. Wasser erwärmt sich von 0°C auf 100°C (Temperatur steigt)
4. Wasser verdampft bei 100°C (Temperatur bleibt bei 100°C)
5. Wasserdampf erwärmt sich auf 110°C (Temperatur steigt)
Diffusion:
- Selbstständige Vermischung durch Teilchenbewegung
- Schneller bei höherer Temperatur
Temperatur:
- Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen
- T(K) = T(°C) + 273
- Absoluter Nullpunkt: 0 K = -273,15°C
Aggregatzustände:
- Fest ↔ Flüssig: Schmelzen/Erstarren
- Flüssig ↔ Gasförmig: Verdampfen/Kondensieren
- Bei Phasenübergängen bleibt die Temperatur konstant