Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Um ein Flüssigkeitsthermometer mit einer Skala zum Ablesen der Temperatur zu versehen, wird es zunächst in eine Mischung von Eis und Wasser getaucht und der Nullpunkt 0 °C der Skala markiert. Anschließend wird es in siedendes Wasser ge- halten, und die Temperatur 100 °C markiert. Den Abstand zwischen 0 °C und 100 °C teilt man in hundert gleiche Teile und erhält so die Gradeinteilung. Dabei muss man beachten, dass die Siedetemperatur des Wassers vom Luftdruck abhängt. Je kleiner der Luftdruck z. B. im Gebirge ist, desto niedriger ist die Siede- temperatur. Daher müssen die Fixpunkte 0 °C und 100 °C bei 1013,25mbar Luft- druck, dem mittleren Luftdruck auf Meereshöhe, bestimmt werden. Im internationalen Maßsystem SI ist die Temperatur T als Basisgröße festgelegt. Allerdings ist die Basiseinheit für die Temperatur nicht Grad Celsius, sondern Kelvin (K) . Die Bezeichnung Kelvin ist zu Ehren von W ILLIAM T HOMSON (1824–1907), dem späteren Lord K ELVIN , erfolgt. Die Kelvin-Skala unterscheidet sich von der Cel- sius-Skala durch die Definition des Nullpunktes: Man wählt als Nullpunkt jene Temperatur, bei der keine thermische Bewegung mehr auftritt. Diese absolut tief- ste Temperatur liegt bei −273,15 °C (siehe nächstes Kapitel). Bei der Temperatur- angabe in Grad Celsius verwendet man statt des Symbols T das Zeichen θ ( 81.3 ). Die Temperatur T ist eine Basisgröße im Internationalen Maßsystem SI, sie wird in Kelvin (K) gemessen. Bezug zur Celsius-Skala: 0 °C entsprechen 273,15 K. Untersuchung der Volumen- und Längenausdehnung Wenn man die Änderung des Volumens verschiedener Stoffe bei Erwärmung ver- gleicht ( 82.1 ), erkennt man: Gase dehnen sich stärker aus als Flüssigkeiten, diese wiederum stärker als feste Körper. Offenbar hängt die Größe der Volumenzu- nahme davon ab, wie fest die Teilchen an einander gebunden sind. Die Messung zeigt, dass die Volumenänderung ∆ V fester und flüssiger Stoffe in sehr guter Näherung proportional zur Temperaturänderung ∆ T ist. Daraus ergibt sich folgendes Gesetz: ∆ V = γ · V 0 · ∆ T oder V = V 0 · ( 1 + γ · ∆ T ) V 0 … Anfangsvolumen, V … Volumen nach der Temperaturänderung ∆ T , γ … Volumenausdehnungskoeffizient (Einheit: K –1 ) Der Volumenausdehnungskoeffizient γ gibt an, um welchen Bruchteil das Volumen pro Kelvin Temperaturerhöhung zunimmt ( 82.1 ) Untersuche, überlege, forsche: Warmer Kraftstoff 82.1 Beim Betanken eines PKW im Sommer ergibt sich folgende Situation: Kraftstoff mit einer Temperatur von 15 °C wird in den Tank gefüllt, anschließend steht der PKW auf einem Parkplatz in der Sonne und kann sich um 50 °C aufheizen. W 1 a) Wenn der Tank 60 l fasst, um wieviel dehnt sich der Treibstoff aus? S 2 b) Überlege, welche Probleme dadurch entstehen. Informiere dich, wie bei modernen PKW ein Austreten von Kraftstoff und die Abgabe von Kraftstoffdämp- fen an die Umgebung vermieden werden. Festkörper dehnen sich nach allen Richtungen aus. Bei Stäben und Drähten wirkt sich die Ausdehnung hauptsächlich auf die Länge aus. Man unterscheidet daher zwischen Volumenausdehnung mit der obigen Formel und Längenausdehnung . Untersuche, überlege, forsche: Längenänderung 82.2 Mit dem Experiment von 82.4 kann man messen, wie sich die Länge eines Roh- res mit der Temperatur ändert. E 1 a) Beschreibe das Experiment. E 2 b) Welche Größen müssen gemessen werden? Worauf muss man besonders achten, damit verlässliche Ergebnisse erreicht werden? Stoff in 10 –6 K –1 Stickstoff 3674 Sauerstoff 3674 Wasserstoff 3662 Ethanol (Alkohol) 1400 Benzin 1060 Wasser 207 Quecksilber 180 Aluminium 69 Eisen 33 Diamant 3 Glaskeramik (Ceran) 0,3 82.1 Volumenausdehnungskoeffizient γ einiger technisch wichtiger Stoffe bei 20 °C und einem Druck von 1013 mbar. 82.2 Messung: Ausdehnung von Flüssigkeiten bei Erwärmung. In Rundkolben mit angesetz- tem Kapillarrohr werden im Wasserbad ver- schiedene Flüssigkeiten erwärmt. Aus der Steighöhe in der Kapillare wird die Volumen- zunahme bestimmt. 0 10 20 30 40 50 Temperaturänderung  T in K 0 1 2 3 Volumensänderung  in cm V 3 bei = 50 cm V 3 Spiritus Petroleum Glyzerin Wasser 82.3 Darstellung der Volumenausdehnung verschiedener Flüssigkeiten. 1 m 82.4 Messung der Ausdehnung eines Rohrs. Überlege, welche Fehlerquellen auftreten können. 82 WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv