1.2 Temperatur und Molekularbewegung Wodurch unterscheidet sich ein heißer von einem kalten Körper? Betrachtet man einen Kristall mit einem Rastertunnelmikroskop, so sieht man dessen Atome in millionenfacher Vergrößerung auf dem Bildschirm (91.2). Man stellt fest, dass die Bilder unschärfer werden, wenn der Kristall erhitzt wird. Die Atome des Kristalls werden durch die Erwärmung in ungeordnete Bewegung versetzt: Sie bewegen sich umso heftiger, je heißer der Körper wird (92.1). Die Unschärfe der Bilder ist kein Fehler des Mikroskops, sondern weist auf eine fundamentale Naturerscheinung hin – auf die thermische Bewegung der Atome und Moleküle. Die thermische Bewegung Besonders gut lässt sich die thermische Bewegung an Flüssigkeiten beobachten. Der englische Botaniker Robert Brown (1773–1858) hatte bei seinen mikroskopischen Untersuchungen entdeckt, dass Pflanzenpollen und mineralische Staubkörner in einem Wassertropfen zuckende Bewegungen ausführen. Mit einem Mikroskop können wir diese Brown’sche Bewegung beobachten: Experiment: Brown’sche Bewegung 92.1 Du brauchst: Mikroskop (Vergrößerung ca. 500-fach), Glasgefäß, Beleuchtung, etwas Tusche oder Milch, Kerze, Gefäß mit Wasser E2 a) Blase in das Glasgefäß Kerzenrauch und beleuchte es von der Seite (92.2). Was siehst du im Mikroskop? Protokolliere deine Beobachtungen. E2 b) Tropfe etwas Tusche (oder Milch) in Wasser und beobachte Tuscheteilchen (bzw. Fetttröpfchen) dieser Mischung unter dem Mikroskop. Notiere deine Beobachtungen. Es dauerte lange, bis man die Ursache der Brown’schen Bewegung erkannte, und viele Erklärungsversuche erwiesen sich als falsch. Die Theorie der Brown’schen Bewegung stammt von Albert Einstein im Jahre 1905. Einstein erkannte, dass sich hier die thermische Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle bemerkbar macht: Wassermoleküle stoßen unregelmäßig gegen die im Mikroskop sichtbaren größeren Teilchen, Pollen oder Sporen. Dabei übertragen sie Kraftstöße in zufällige Richtungen: Die sichtbaren Teilchen wandern auf einer Zick-Zack-Bahn durch die Flüssigkeit (92.3). Die Brown’sche Bewegung wird bei gleich bleibender Temperatur im Laufe der Zeit nicht schwächer, sie bleibt beliebig lange bestehen: Ihre Ursache, die thermische Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle, ist stets vorhanden, jedoch schwächer bei kühlen Körpern und stärker bei heißen (92.4). Die thermische Bewegung der Teilchen eines Körpers bestimmt daher eine wichtige Eigenschaft des Körpers, die Temperatur. Die Atome und Moleküle aller Stoffe weisen eine ständige, ungeordnete thermische Bewegung auf. Die Temperatur T eines Körpers ist ein Maß für die Stärke der thermischen Bewegung seiner Atome und Moleküle. Experiment: Brown’sche Bewegung als Simulation 92.2 Du brauchst: ein Blatt kariertes Papier, einen Spielwürfel, Bleistift E4 Veranschauliche dir in vereinfachter Form, wie die unregelmäßige Bahn eines Brown’schen Teilchens entsteht. Wähle am Papier ein Kästchen als Ausgangspunkt eines Teilchens. Würfle und versetze das Teilchen je nach gewürfelter Augenzahl (1, 2, 3, 4) ins nächste Kästchen (rechts, oben, links, unten), zeichne dabei die Bahn. Wiederhole den Vorgang mehrmals und beobachte, wie sich das Brown’sche Teilchen vom Ausgangspunkt langsam entfernt. Stelle grafisch dar, wie sich der Abstand des Brown’schen Teilchens vom Ausgangspunkt mit der Zahl der Schritte ändert. Schneller geht es mit einem Computerprogramm. 92.1 Kalter Kristall (oben): Geringe unregelmäßige Bewegung der Teilchen um ihre mittlere Position. Heißer Kristall (unten): Die Teilchen bewegen sich heftig um ihre mittlere Position. 92.2 Beobachtung der Brown’schen Bewegung von Rauchteilchen mittels Mikroskop Mikroskop Lichtstrahl 92.3 Langsam wandert ein Rauchteilchen auf unregelmäßigem Weg von seinem Ausgangsort weg. 92.4 Diffusion von Tinte in Wassergläsern mit unterschiedlichen Temperaturen. Je schneller sich die Moleküle bewegen (höhere Temperatur), desto schneller verteilt sich die Tinte im Wasser. 92 Thermodynamik 1 Atome lieben Wärme Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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