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Aggregatzustände im Modell

Kerzenwachs und Thermometer — hier deutest du Alltagsbeobachtungen mit der Bewegung der Teilchen.

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Die brennende Kerze

AFB I–II

Eine Kerze brennt seit einigen Minuten. Unter der Flamme hat sich eine kleine Pfütze aus flüssigem Wachs gebildet. Das flüssige Wachs steigt im Docht nach oben und verdampft dort. Brennen tut der Wachsdampf.

Pustet man die Kerze aus, steigt ein weißer Rauchfaden auf. Er besteht aus winzigen Wachströpfchen und -körnchen.

  1. Nenne die drei Aggregatzustände des Wachses in der brennenden Kerze und wo sie jeweils vorkommen.
  2. Beschreibe Anordnung und Bewegung der Wachsteilchen im festen und im flüssigen Wachs.
  3. Erkläre im Teilchenmodell, warum das Wachs unter der Flamme schmilzt.
  4. Deute den weißen Rauchfaden nach dem Auspusten mit dem Teilchenmodell.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Geh die Kerze von unten nach oben durch.
Hinweis zu Aufgabe b)
Nutze die Wörter geordnet/ungeordnet, schwingen, gleiten.
Hinweis zu Aufgabe c)
Was bewirkt die Wärme der Flamme bei den Teilchen?
Hinweis zu Aufgabe d)
Der Wachsdampf trifft auf kühle Luft. Was passiert dann mit den Teilchen?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Fest: der Kerzenkörper (Stumpen). Flüssig: die Wachspfütze unter der Flamme und das Wachs im Docht. Gasförmig: der Wachsdampf an der Dochtspitze, der in der Flamme brennt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Festes Wachs: Die Teilchen liegen dicht an dicht und geordnet; sie schwingen nur an ihren Plätzen. Flüssiges Wachs: Die Teilchen liegen ebenfalls dicht beieinander, aber ungeordnet; sie gleiten aneinander vorbei.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Flamme gibt Wärme an das Wachs ab. Dadurch schwingen die Wachsteilchen immer stärker. Schließlich sind sie so schnell, dass sie ihre festen Plätze verlassen: Die Ordnung geht verloren, das Wachs wird flüssig. Weiter unten ist es kühler, dort bleibt das Wachs fest.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Nach dem Auspusten steigt noch Wachsdampf auf, brennt aber nicht mehr. In der kühlen Luft werden die Wachsteilchen langsamer und rücken wieder dicht zusammen (Kondensieren, zum Teil auch Erstarren). So entstehen winzige Tröpfchen und Körnchen aus Wachs, die man als weißen Rauch sieht.

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Das Flüssigkeitsthermometer

AFB II–III

In einem Flüssigkeitsthermometer steckt rot gefärbter Alkohol (Ethanol) in einem dünnen Glasröhrchen. Wird es wärmer, steigt die rote Säule; wird es kälter, sinkt sie.

Werte für Alkohol: Schmelztemperatur −114 °C, Siedetemperatur 78 °C. Werte für Wasser: 0 °C und 100 °C.

Flüssigkeitsthermometer
−20−1001020304050in °C
  1. Erläutere mit dem Teilchenmodell, warum die Flüssigkeitssäule bei Wärme steigt.
  2. Überprüfe die Aussage von Nele: „Die Säule steigt, weil die Alkoholteilchen beim Erwärmen größer werden.“
  3. Begründe, warum man für Messungen im Winter bis −30 °C kein Thermometer mit Wasser verwenden kann.
  4. Beurteile, ob sich dieses Alkoholthermometer eignet, um die Temperatur im Backofen (etwa 200 °C) zu messen.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Wenn die Teilchen schneller werden — was passiert mit den Abständen?
Hinweis zu Aufgabe b)
Was ändert sich im Modell beim Erwärmen — die Teilchen oder etwas zwischen ihnen?
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleiche −30 °C mit der Schmelztemperatur von Wasser und von Alkohol.
Hinweis zu Aufgabe d)
Welcher Aggregatzustand hat Alkohol bei 200 °C?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Bei Wärme bewegen sich die Alkoholteilchen schneller, ihre Abstände werden größer. Die gleiche Anzahl Teilchen braucht mehr Platz. Nach unten und zur Seite kann der Alkohol nicht ausweichen — also steigt er im dünnen Röhrchen nach oben. Bei Kälte werden die Abstände kleiner, die Säule sinkt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Aussage ist falsch. Die Teilchen bleiben beim Erwärmen gleich groß. Es ändern sich nur ihre Bewegung (schneller) und ihre Abstände (größer). Die Ausdehnung kommt von den größeren Abständen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Wasser erstarrt schon bei 0 °C. Unter 0 °C wären seine Teilchen fest an ihren Plätzen — die Säule könnte sich nicht mehr im Röhrchen bewegen, das Thermometer zeigt nichts mehr an. Alkohol ist erst unter −114 °C fest und bei −30 °C noch flüssig.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Es eignet sich nicht. Schon bei 78 °C beginnt der Alkohol zu sieden. Bei 200 °C wäre er gasförmig: Die Teilchen würden frei herumfliegen und bräuchten sehr viel mehr Platz. Das Röhrchen könnte platzen, eine Anzeige wäre unmöglich. Für den Backofen braucht man ein anderes Thermometer, z. B. ein Zeigerthermometer.