2.1 Phasenübergang fest – flüssig Schmelzen und Erstarren In festen Körpern schwingen die Teilchen wegen der gegenseitigen Anziehung und Abstoßung um feste Plätze. Erwärmung verstärkt die Schwingungen, bis die anziehenden Kräfte nicht mehr ausreichen. Die geordnete Struktur löst sich bei einer bestimmten Temperatur (Schmelztemperatur) auf, der Körper wird flüssig. Experiment: Schmelzen von Eis 105.1 E3 Du brauchst: Gefäß mit Wasser und einigen zerkleinerten Eiswürfeln, Thermometer, Rührstab (105.1) Stelle durch Umrühren sicher, dass die Wasser-Eis-Mischung 0 °C hat. Erwärme und miss in regelmäßigen Abständen die Wassertemperatur, wobei du immer wieder leicht umrühren solltest. Erstelle ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Wassertemperatur zeigt, und interpretiere es. Während des Schmelzens bleibt die Temperatur gleich, die gesamte zugeführte Energie wird als Schmelzwärme zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den Molekülen benötigt. Beim Abkühlen kehrt sich der Vorgang um. Beim Erstarren wird die Schmelzwärme wieder an die Umgebung abgegeben, der entsprechende Energiebetrag wird als Kristallisations- oder Gefrierwärme bezeichnet. Untersuche, überlege, forsche: Schmelzwärme von Eis 105.1 Überlege und plane, wie du das soeben durchgeführte Experiment so erweitern kannst, dass du die Schmelzwärme von Eis näherungsweise bestimmen kannst. E2 a) Welche Größen musst du messen bzw. kennen? E3 b) Lass in einem Styroporbecher eine kleine Menge Eis mittels Warmwasser schmelzen. Welche Größen musst du messen? Bestimme anschließend aus deinen Messdaten die Schmelzwärme. Die Schmelzwärme pro Kilogramm bei Normaldruck nennt man die spezifische Schmelzwärme (105.2). Zum Schmelzen eines Festkörpers wird Wärme (Schmelzwärme) benötigt. Um 1 kg Eis zu schmelzen, ist die Schmelzwärme von 334 kJ erforderlich. Die spezifische Schmelzwärme von Eis (334 kJ·kg−1) ist im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität von Wasser (4,18 kJ·kg−1·K−1) sehr groß: Um 1 kg Eis bei 0 °C zu schmelzen, ist ebensoviel Energie notwendig wie für eine anschließende Erwärmung auf 80 °C. Deshalb schmelzen Gletscher im Sommer nicht vollständig. Schnee überdauert wegen der hohen Schmelzwärme längere Perioden warmen Wetters. Auch die Eiswürfel in einem Getränk schmelzen nur langsam. Untersuche, überlege, forsche: Schmelzen durch Druck 105.2 Das Experiment in 105.3 zeigt, wie eine dünne Drahtschlinge, an der ein Gewicht hängt, durch einen Eisblock wandert. Häufig wird das Phänomen so erklärt: Der Druck des Drahts senkt den Gefrierpunkt, das Eis schmilzt unter dem Draht, der dadurch tiefer sinkt, das Wasser über dem Draht gefriert wieder. Diese Erklärung wird von Expertinnen und Experten kritisiert. Das Experiment wird bei Zimmertemperatur vorgeführt. E2 a) Vielleicht ist der Draht warm genug, so dass das Eis unter ihm schmilzt? Wie könnte man diese Vermutung überprüfen? S2 b) Das Gleiten von Schlittschuhen über das Eis wird oft ähnlich begründet: Durch den Druck der Kufen soll sich ein Wasserfilm bilden, der die Reibung herabsetzt. Der Druck der Schlittschuhkufen senkt jedoch den Gefrierpunkt nur um Bruchteile eines Grades – zu wenig, um einen Wasserfilm unter den Kufen zu erzeugen. Überlege und schätze ab, ob Gleitreibung zwischen Stahl und Eis einen ausreichenden Wasserfilm bilden kann! Stoff kJ/kg °C Blei 25 328 Zinn 60 232 Silber 105 961 Kupfer 205 1 085 Kochsalz 500 801 Eisen 260 1 535 Eis 334 0 105.2 Spezifische Schmelzwärmen wichtiger Stoffe. In Eis ist jedes H2O-Molekül an vier Nachbarn gebunden. Das Auftrennen dieser Bindungen erfordert Energie, die sogenannte Schmelzwärme. Die relativ große Schmelzwärme von Kochsalz (NaCl) zeigt die starke Bindung zwischen den Ionen Na+ und Cl− im Salzkristall. 105.1 Beobachte, wie Eis in Wasser durch die Umgebungswärme langsam schmilzt. Zeichne ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Temperatur, bis das Eis vollständig geschmolzen ist. 105.3 Eine Drahtschlinge wandert durch einen Eisblock. 105 Thermodynamik 2 Phasenübergänge Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy ODE3MDE=