Teilchen, Temperatur und Ausdehnung
Alles in diesem Kapitel beginnt bei den Teilchen: Ihre ungeordnete Bewegung ist das, was wir als Temperatur messen. Wie heftig sie sich bewegen, entscheidet über Aggregatzustand, Länge und Volumen eines Körpers.
Teilchenmodell
Alle Stoffe bestehen aus Teilchen in ständiger, ungeordneter Bewegung; fest, flüssig und gasförmig unterscheiden sich nur in Abstand und Beweglichkeit. Stolperstein: Die Teilchen selbst dehnen sich beim Erwärmen nicht aus — nur ihre Abstände werden größer.
Temperatur
Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen, gemessen in Grad Celsius oder Kelvin. Stolperstein: Temperatur ist kein Energievorrat — zwei Körper gleicher Temperatur können sehr unterschiedlich viel innere Energie enthalten.
Absoluter Nullpunkt
Bei −273,15 °C stünde die Teilchenbewegung still; kälter geht es nicht. Stolperstein: Es gibt keine negativen Kelvin-Werte.
Längenausdehnung
Feste Körper werden beim Erwärmen länger — umso mehr, je länger sie sind, je stärker sie erwärmt werden und je größer der Stoffwert α ist. Stolperstein: ΔT gehört in Kelvin in die Formel.
Warum Differenzen immer in Kelvin stehen
Beim Bilden einer Differenz fällt die Verschiebung um 273,15 heraus: 25 °C − 5 °C sind genau 20 K. Verwechselt wird gern die absolute Temperatur mit der Temperaturänderung — in Q = c · m · ΔT steht immer die Änderung. Wer dort 25 statt 20 einsetzt, rechnet den ganzen Rest falsch.
Innere Energie, Wärme und Phasenübergänge
Die innere Energie ist der Energiebestand eines Körpers, die Wärme Q dagegen die Energie, die zwischen zwei Körpern übertragen wird — sie ist nie in einem Körper „drin“. Wie viel Energie eine Erwärmung kostet, hängt von Stoff, Masse und Temperaturänderung ab; im Energie-Temperatur-Diagramm ergibt das eine Ursprungsgerade mit der Steigung c · m. Bei Mischungsversuchen gibt der wärmere Körper genau so viel Energie ab, wie der kältere aufnimmt. Während eines Phasenübergangs fließt weiter Energie, die Temperatur bleibt dabei aber konstant.
Q = qs · m
Q = qv · m
Wärme unterwegs: Leitung, Strömung, Strahlung
Energie wandert durch Stoffe hindurch (Wärmeleitung), mit strömenden Flüssigkeiten und Gasen (Wärmeströmung) oder ganz ohne Stoff als Infrarotstrahlung. Dämmstoffe bremsen alle drei Wege, indem sie Luft in winzigen Poren einsperren; Wärmebrücken wie Rollladenkästen führen die Energie daran vorbei und leuchten im Wärmebild hell auf. Die Anomalie des Wassers — größte Dichte bei 4 °C — lässt Eis schwimmen und Gewässer von oben zufrieren.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Drei Regeln entscheiden in der Klassenarbeit über die meisten Punkte.
ΔT immer in Kelvin
Zieh die kleinere Temperatur von der größeren ab und schreibe das Ergebnis mit der Einheit K. Setze nie eine absolute Temperatur in °C dort ein, wo eine Temperaturänderung stehen muss.
Erst Einheiten angleichen, dann rechnen
Massen in kg, Energien in J, c in J/(kg·K): 250 g sind 0,25 kg, 12 kJ sind 12 000 J. Wer das vor dem Einsetzen erledigt, erhält das Ergebnis automatisch in Joule.
Phasenübergänge getrennt rechnen
Erwärmen und Schmelzen oder Sieden gehören nie in einen Ansatz: Für jeden schrägen Abschnitt Q = c · m · ΔT, für jeden waagerechten Q = q · m — und am Ende alle Teilbeträge addieren.