1 · Rechne 25 °C in Kelvin um.
Lösung und Rechenweg ansehen
25 + 273,15 = 298,15 K.
Erklärung wiederholen →Physik · Wärmelehre · Mittelstufe
Temperatur, Teilchenmodell und Aggregatzustände: verstehen und üben
Verstehe, was Temperatur misst und wie sich feste, flüssige und gasförmige Stoffe unterscheiden. Beschriftete Teilchenbilder und eine Erwärmungskurve helfen dir, Zustandsänderungen richtig zu erklären.
Ein Stoff – verschiedene Zustände
Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf bestehen aus Wassermolekülen.
Beim Zustandswechsel ändern sich Anordnung und Bewegung. Die Moleküle werden nicht selbst „flüssig“ oder größer.
Lernschritt 1
Was beschreibt die Temperatur?
Temperatur beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers: wie warm oder kalt er ist. Du misst sie mit einem Thermometer, häufig in Grad Celsius. Dein Hautgefühl allein ist dafür unzuverlässig: Metall kann sich bei derselben Raumtemperatur kälter anfühlen als Holz, weil es deiner Hand schneller Energie entzieht.
Im einfachen Teilchenmodell hängt die Temperatur mit der ungeordneten Teilchenbewegung zusammen. Bei höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen eines Stoffes im Mittel stärker. Für ein ideales Gas ist die mittlere kinetische Energie der ungeordneten Translationsbewegung proportional zur absoluten Temperatur.
Warte beim Messen, bis sich der Messwert stabilisiert. Der Messfühler soll guten Kontakt zum untersuchten Stoff haben und nicht versehentlich etwa die heiße Gefäßwand statt der Flüssigkeit messen.
Lernschritt 2
Temperatur, innere Energie und Wärme unterscheiden
Temperatur ist eine Zustandsgröße. Innere Energie umfasst mikroskopische Energieanteile eines Körpers, darunter ungeordnete Bewegungsenergie und Energie der Wechselwirkungen zwischen Teilchen.
Wärme Q bezeichnet Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird. Wärme ist deshalb keine im Körper gespeicherte Stoffmenge. Die übertragene Energie kann seine innere Energie verändern.
Ein großer und ein kleiner Becher mit demselben Wasser bei derselben Temperatur brauchen für dieselbe Temperaturerhöhung unterschiedlich viel Energie. Die Temperatur allein sagt also nicht, wie viel Energie zur Erwärmung benötigt wird.
Bei direktem thermischem Kontakt wird netto Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis sich ein Temperaturausgleich einstellt. „Kälte“ ist dabei kein Stoff, der in den wärmeren Körper fließt.
Lernschritt 3
Celsius und Kelvin richtig umrechnen
In der Physik wird neben Celsius die absolute Temperaturskala Kelvin verwendet. Die Einheit heißt Kelvin, ohne Gradzeichen.
T in K = Zahlenwert der Celsius-Temperatur + 273,15
Beispiele: 20 °C entsprechen 293,15 K; −10 °C entsprechen 263,15 K. Umgekehrt sind 300 K gleich 26,85 °C. In Schulaufgaben darf manchmal mit 273 statt 273,15 gerundet werden; halte dich an die Vorgabe.
Eine Erwärmung von 20 °C auf 35 °C ist eine Temperaturänderung von 15 K beziehungsweise 15 °C. Bei Temperaturunterschieden ist der Zahlenwert auf beiden Skalen gleich. Die 273,15 werden nur für Temperaturen, nicht für Temperaturänderungen addiert.
0 K entsprechen −273,15 °C und markieren den absoluten Nullpunkt der thermodynamischen Temperaturskala. Die einfache Vorstellung klassischer Teilchenbewegung hat dort Grenzen.
Lernschritt 4
Drei Aggregatzustände im Teilchenbild
Ein Teilchenbild ist ein Modell, kein vergrößertes Foto. Die Kreise stehen je nach Stoff für Atome, Moleküle oder andere geeignete Bausteine. Hier vergleichen wir schematisch dieselbe Teilchenzahl; die Teilchengröße bleibt gleich.
Fest: Ein Festkörper behält normalerweise Form und Volumen. Das regelmäßige Muster zeigt einen kristallinen Feststoff; nicht alle Feststoffe sind so geordnet.
Flüssig: Eine Flüssigkeit hat annähernd ein eigenes Volumen, aber keine feste Form. Sie ist wie ein Festkörper nur schwer komprimierbar.
Gasförmig: Ein Gas hat weder feste Form noch festes Volumen. Es lässt sich gut komprimieren, weil die Teilchenabstände groß sind. Beim Zusammendrücken werden nicht einfach die Teilchen kleiner.
Lernschritt 5
Wie heißen die Zustandsänderungen?
- Fest → flüssig: Schmelzen, etwa Eis zu Wasser.
- Flüssig → fest: Erstarren beziehungsweise bei Wasser Gefrieren.
- Flüssig → gasförmig: Verdampfen.
- Gasförmig → flüssig: Kondensieren, etwa Tröpfchen an einem kalten Glas.
- Fest → gasförmig: Sublimieren.
- Gasförmig → fest: Resublimieren, etwa die direkte Bildung von Reif aus Wasserdampf.
Beim Schmelzen oder Verdampfen eines reinen Stoffes bleibt seine chemische Zusammensetzung erhalten. In einem geschlossenen System bleibt auch die Masse erhalten. In einem offenen Gefäß kann die gemessene Masse abnehmen, wenn Teilchen als Gas entweichen.
Lernschritt 6
Verdunsten und Sieden unterscheiden
Verdunsten findet an der Flüssigkeitsoberfläche statt und ist auch unterhalb der Siedetemperatur möglich. So trocknet Wasser bei Raumtemperatur. Teilchen können die Flüssigkeit verlassen; dadurch kann die verbleibende Flüssigkeit abkühlen.
Sieden findet mit Dampfbildung im Inneren der Flüssigkeit statt. Reines Wasser siedet bei ungefähr normalem Luftdruck bei etwa 100 °C. Der Siedepunkt hängt vom Druck ab und ist deshalb nicht überall gleich.
Wasserdampf als Gas ist unsichtbar. Die sichtbare weiße Wolke über heißem Wasser besteht aus feinen Tröpfchen, die beim Abkühlen und Kondensieren entstanden sind.
Lernschritt 7
Warum steigt die Temperatur beim Schmelzen nicht?
Beim Erwärmen von Eis steigt zunächst die Temperatur. Erreicht reines Eis bei ungefähr normalem Luftdruck seine Schmelztemperatur, kann zugeführte Energie für den Zustandswechsel benötigt werden. Eis und Wasser liegen dann nebeneinander vor.
Die Energie verändert die Anordnung und Wechselwirkungen der Teilchen. Erst wenn das Eis vollständig geschmolzen ist, kann weitere Energiezufuhr die Temperatur des flüssigen Wassers erhöhen. Auch beim Sieden eines reinen Stoffes bei konstantem Druck ist ein entsprechender Temperaturabschnitt möglich.
„Es wird Energie zugeführt“ bedeutet nicht immer „die Temperatur steigt“. Prüfe, ob gerade eine Zustandsänderung stattfindet.
Für den Unterricht
Lass drei Teilchenbilder mit gleicher Teilchenzahl zeichnen. Verändert werden Anordnung und Abstand, nicht die Größe der Kreise. Zeige anschließend die Erwärmungskurve und frage, wohin die zugeführte Energie während des waagerechten Abschnitts geht.
Dein Wissen anwenden
Sechs Aufgaben zum Selbstcheck
Löse die Aufgaben zuerst auf Papier. Öffne danach die Lösung. Bei einem Fehler führt dich der Link zur passenden Erklärung zurück.
2 · Ein Körper wird von 10 °C auf 30 °C erwärmt. Wie groß ist ΔT?
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ΔT = 20 K. Für die Differenz werden nicht 273,15 addiert.
Erklärung wiederholen →3 · Warum lässt sich ein Gas leichter zusammendrücken als Wasser?
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Zwischen den Gasteilchen liegen große Abstände. Bei der Kompression werden vor allem diese Abstände kleiner.
Erklärung wiederholen →4 · Wie heißt der Übergang von gasförmig zu flüssig?
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Kondensieren.
Erklärung wiederholen →5 · Muss Wasser zum Verdunsten 100 °C erreichen?
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Nein. Verdunsten ist an der Oberfläche auch bei niedrigeren Temperaturen möglich.
Erklärung wiederholen →6 · Eis schmilzt bei konstanter Temperatur. Wird trotzdem Energie benötigt?
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Ja. Die zugeführte Energie wird für den Zustandswechsel benötigt.
Erklärung wiederholen →Der Selbstcheck hilft dir zu erkennen, welchen Schritt du noch üben solltest. Rechne nach einer Korrektur eine ähnliche Aufgabe ohne Hilfe.
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Werden Teilchen beim Erwärmen größer?
Im einfachen Teilchenmodell erklärt man die Ausdehnung durch veränderte mittlere Abstände, nicht durch größer werdende Teilchen.
Hat ein warmer Körper Wärme gespeichert?
Fachlich spricht man von innerer Energie. Wärme ist Energieübertragung aufgrund eines Temperaturunterschieds.
Ist die weiße Wolke über heißem Wasser Wasserdampf?
Der gasförmige Wasserdampf ist unsichtbar. Sichtbar sind kleine kondensierte Wassertröpfchen.