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Teilchenmodell und Aggregatzustände

Zwei Sachaufgaben: ein Duft, der durch den Raum wandert, und ein Eiswürfel, der sich beim Schmelzen nicht erwärmt.

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Parfüm im Klassenraum

AFB I–II

In einer Ecke eines 60 m³ großen Klassenraums verdunstet ein Tropfen Parfüm. Die Luft im Raum ist ruhig, niemand bewegt sie, die Raumtemperatur beträgt 21 °C. Nach etwa vier Minuten nehmen auch die Schülerinnen und Schüler in der gegenüberliegenden Ecke den Duft wahr. Im Winter, bei 15 °C Raumtemperatur, dauert es merklich länger.

  1. Nennen Sie die drei Grundaussagen des Teilchenmodells.
  2. Erklären Sie mit dem Teilchenmodell, warum der Duft den ganzen Raum erreicht und warum das bei 15 °C länger dauert.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Denken Sie an Bewegung, Anziehungskräfte und Abstände der Teilchen.„Nennen“ verlangt nur die Stichpunkte — ohne Erläuterung und ohne Beispiel.
Hinweis zu Aufgabe b)
Der Fachbegriff für die Vermischung ohne Rühren heißt Diffusion; die Temperatur steckt in der mittleren Bewegungsenergie der Teilchen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

1. Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen. 2. Diese Teilchen bewegen sich ständig und ungeordnet. 3. Zwischen den Teilchen wirken Anziehungskräfte; zwischen ihnen selbst ist nichts.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Parfümteilchen bewegen sich ungeordnet und stoßen dabei ständig mit Luftteilchen zusammen. Dadurch verteilen sie sich von selbst im gesamten Raum — dieser Vorgang heißt Diffusion und braucht keinen Luftzug. Da die Temperatur ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen ist, sind die Teilchen bei 21 °C im Mittel schneller als bei 15 °C; die Diffusion läuft deshalb bei der höheren Temperatur schneller ab.

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Eiswürfel auf der Heizung

AFB II–III

Jan nimmt sechs Eiswürfel mit −18 °C aus dem Gefrierfach, legt sie in ein Glas und stellt es auf eine gleichmäßig heizende Platte. Alle vier Minuten liest er die Temperatur ab: 0 min: −18 °C, 4 min: −4 °C, 8 min: 0 °C, 12 min: 0 °C, 16 min: 0 °C, 20 min: 7 °C, 24 min: 14 °C. Ab der 20. Minute ist das Eis vollständig geschmolzen. Sein Mitschüler Tim sagt: „Zwischen der 8. und der 16. Minute nimmt das Eis keine Energie auf — sonst würde die Temperatur ja steigen.“

  1. Deuten Sie den Messverlauf zwischen der 8. und der 16. Minute im Teilchenmodell.
  2. Ermitteln Sie die Temperaturänderung zwischen der 20. und der 24. Minute und geben Sie sie in Kelvin an.
  3. Beurteilen Sie Tims Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Fragen Sie sich, wofür die zugeführte Energie verwendet wird, wenn sie die Teilchen nicht schneller macht.
Hinweis zu Aufgabe b)
Beide Werte stehen in der Messreihe; bei einer Differenz von Celsius-Werten ist 1 K genau so groß wie 1 °C.
Hinweis zu Aufgabe c)
Prüfen Sie zwei Kriterien: Ist die Beobachtung richtig wiedergegeben? Und ist der Schluss von „Temperatur konstant“ auf „keine Energieaufnahme“ zulässig?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Zwischen der 8. und der 16. Minute schmilzt das Eis. Die zugeführte Energie erhöht nicht die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen, sondern überwindet die Anziehungskräfte und löst die feste Ordnung auf. Deshalb bleibt die Temperatur bei 0 °C konstant, obwohl weiter geheizt wird.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\( \Delta\vartheta = 14\,^\circ\mathrm{C} - 7\,^\circ\mathrm{C} = 7\,^\circ\mathrm{C} \), also \( \Delta T = 7\,\mathrm{K} \). Die Wassertemperatur steigt in diesen vier Minuten um 7 K.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Beobachtung ist richtig, der Schluss ist falsch. Die Heizplatte gibt gleichmäßig Energie ab, das Eis nimmt sie also auch zwischen der 8. und der 16. Minute auf. Diese Energie wird jedoch vollständig zum Trennen der Teilchen gebraucht (Schmelzwärme) und nicht zum Beschleunigen der Teilchen. Eine konstante Temperatur bedeutet damit nur, dass sich die mittlere Bewegungsenergie nicht ändert — nicht, dass keine Energie fließt. Als vollständig gilt eine Antwort, die Beobachtung und Fehlschluss trennt und den Energiefluss während des Schmelzens benennt.