Was ist das Teilchenmodell?
Ein Modell ist ein einfaches Bild, das uns hilft, Dinge zu erklären. Das Teilchenmodell sagt:
- Alle Stoffe bestehen aus sehr kleinen Teilchen (Atomen, Molekülen oder Ionen). Sie sind viel zu klein, um sie zu sehen.
- Die Teilchen sind immer in Bewegung.
- Zwischen den Teilchen wirken Anziehungskräfte (ein Ziehen). Das Ziehen ist stark, wenn sie nah beieinander sind.
- Zwischen Gasteilchen ist nur leerer Raum, keine Luft.
Wir zeichnen Teilchen als kleine Kugeln. Echte Teilchen sind keine bunten Kugeln, aber das Bild erklärt sehr viel. Diffusion (ein Geruch, der sich im Zimmer ausbreitet, oder Tinte, die sich im Wasser verteilt) ist ein guter Beweis dafür, dass sich Teilchen von selbst bewegen.
Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase
| Feststoff | Flüssigkeit | Gas | |
|---|---|---|---|
| Anordnung | Dicht, in regelmäßigen Reihen | Dicht, ohne Muster | Weit auseinander, ungeordnet |
| Bewegung | Schwingen am Platz | Gleiten aneinander vorbei | Schnell, geradlinig, in alle Richtungen |
| Anziehung zwischen ihnen | Stark | Mittel | Sehr schwach |
| Form / Volumen | Feste Form, festes Volumen | Nimmt die Form des Gefäßes an, festes Volumen | Füllt den Behälter, kein festes Volumen |
| Kann man es zusammendrücken? | Nein | Fast nicht | Ja, leicht |
Dichte
Die Dichte sagt, wie viel Masse in jedem Kubikmeter steckt: ρ = m ÷ V (kg/m³). Feststoffe und Flüssigkeiten haben eine hohe Dichte, weil ihre Teilchen dicht beieinander liegen. Gase haben eine geringe Dichte, weil ihre Teilchen weit auseinander sind. Wasser hat etwa 1000 kg/m³, Luft etwa 1.2 kg/m³.
Erwärmen: Temperatur, innere Energie und Zustandsänderungen
Die innere Energie ist die gesamte Energie, die alle Teilchen speichern: ihre Bewegungsenergie (kinetisch) plus die Energie, die in der Anziehung zwischen ihnen steckt (potenziell). Erwärmen erhöht die innere Energie eines Stoffes. Dabei können zwei Dinge passieren:
- Die Temperatur steigt: Die Teilchen werden schneller. Nötige Energie: E = m × c × ΔT, wobei c die spezifische Wärmekapazität ist (die Energie, um 1 kg um 1 °C zu erwärmen).
- Der Zustand ändert sich (Schmelzen, Sieden): Die Temperatur bleibt gleich. Die Energie überwindet die Anziehung zwischen den Teilchen. Nötige Energie: E = m × L, wobei L die spezifische Schmelz- bzw. Verdampfungswärme ist (die Energie, um den Zustand von 1 kg ohne Temperaturänderung zu ändern).
Namen der Änderungen: Schmelzen (fest → flüssig), Erstarren (flüssig → fest), Sieden/Verdampfen (flüssig → gasförmig), Kondensieren (gasförmig → flüssig), Sublimieren (fest → gasförmig direkt, wie Trockeneis). Eine Zustandsänderung ist eine physikalische Veränderung: Die Masse bleibt erhalten und man kann sie umkehren.
Im Erwärmungsdiagramm sind die waagerechten Stücke die Zustandsänderungen. Verdunstung passiert bei jeder Temperatur an der Oberfläche, wenn die schnellsten Teilchen entkommen; sie kühlt die Flüssigkeit, die übrig bleibt (Schweiß, ein Tonkrug).
Gasdruck und Temperatur
Gasteilchen stoßen immer wieder gegen die Wände ihres Behälters. Jeder Stoß ist ein winziger Schubs. Millionen Schubse auf jeden Quadratmeter ergeben den Druck.
- Heißeres Gas, gleiches Volumen: Die Teilchen sind schneller, stoßen öfter und härter gegen die Wände, also steigt der Druck.
- Kleineres Volumen, gleiche Temperatur: Die Teilchen stoßen öfter gegen die Wände, also steigt der Druck. Bei einer festen Gasmenge und konstanter Temperatur bleibt p × V gleich.
Der absolute Nullpunkt (−273 °C oder 0 K) ist die Temperatur, bei der die Teilchen die kleinstmögliche Bewegung hätten. Kelvin-Temperatur = °C + 273.
Probier es zu Hause aus
Gib ein paar Tropfen Lebensmittelfarbe in ein Glas kaltes Wasser und in ein anderes Glas heißes Wasser. Nicht umrühren. Sag voraus, wo sich die Farbe schneller verteilt, und schau dann zu. (Heißes Wasser: Die Teilchen sind schneller.)
Wichtige Formeln und Definitionen
- Dichte: ρ = m / V (kg/m³)
- Erwärmen ohne Zustandsänderung: E = m c ΔT
- Zustandsänderung: E = m L (spezifische latente Wärme)
- Gas bei konstanter Temperatur: p₁V₁ = p₂V₂
- Kelvin = °C + 273
Gelöste Beispiele
1. Ein Block hat die Masse 2.7 kg und das Volumen 0.001 m³. Berechne seine Dichte.
ρ = m / V = 2.7 / 0.001 = 2700 kg/m³ (das ist Aluminium).
2. Warum kann man ein Gas zusammendrücken, einen Feststoff aber nicht?
Zwischen Gasteilchen ist viel leerer Raum, deshalb kann man sie näher zusammenschieben. Die Teilchen eines Feststoffs berühren sich schon, also gibt es keinen Raum, den man wegnehmen könnte.
3. Wie viel Energie braucht man, um 2 kg Wasser von 20 °C auf 70 °C zu erwärmen? (c = 4200 J/kg °C)
E = m c ΔT = 2 × 4200 × 50 = 420 000 J = 420 kJ.
4. Wie viel Energie schmilzt 0.5 kg Eis bei 0 °C? (L = 334 000 J/kg)
E = m L = 0.5 × 334 000 = 167 000 J = 167 kJ. Die Temperatur bleibt die ganze Zeit bei 0 °C.
5. Eine Spritze enthält 60 cm³ Luft bei 100 kPa. Sie wird bei gleicher Temperatur auf 20 cm³ zusammengedrückt. Berechne den neuen Druck.
p₂ = p₁V₁ / V₂ = 100 × 60 / 20 = 300 kPa. Ein Drittel des Volumens ergibt den dreifachen Druck.
6. Eine Wasserkocher-Heizung gibt jede Sekunde 2000 J ab. Wie lange dauert es, 0.2 kg Wasser zu verdampfen, das schon 100 °C hat? (L = 2 260 000 J/kg)
E = m L = 0.2 × 2 260 000 = 452 000 J. Zeit = 452 000 / 2000 = 226 s (etwa 3.8 Minuten).
Häufige Fehler
- Zu sagen, dass sich die Teilchen in einem Feststoff nicht bewegen. Sie schwingen die ganze Zeit.
- Zu denken, dass die Temperatur weiter steigt, während Eis schmilzt. Sie bleibt bei 0 °C, bis alles Eis geschmolzen ist.
- Zu sagen, dass zwischen Gasteilchen Luft ist. Dort ist nur leerer Raum.
- Zu denken, dass sich die Teilchen selbst beim Erwärmen ausdehnen. Die Teilchen bleiben gleich groß; die Abstände zwischen ihnen werden größer.