Aufbau der Materie und Wärmelehre

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== Aufbau der Materie und innere Energie==

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===Aggregatszustände===

> Beschreibung mit Hilfe des '''Teilchenmodells'''


{| 
| '''Fest'''
| '''Flüssig'''
| '''Gasförmig'''
|-
|[[Bild:Teilchenmodell_fest.jpg|100px|right]]''Die Teilchen liegen eng und mit gleichen Anstand zueinander an einem festen Platz.''
| [[Bild:Teilchenmodell_flüssig.jpg|100px|right]]''Die Teilchen liegen dicht beinander, sind aber gegeneinander verschiebbar, d.h. sie haben keinen festen Platz.''
| [[Bild:Teilchenmodell_gasförmig.jpg|100px|right]]''Der Abstand zwischen den Teilchen ist groß und sie haben keinen festen Platz, sie können überall hinschweben.'' 
|}
 

*Dabei gilt:
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Die Teilchen eines Stoffes besitzen potenzielle bzw. kinetische Energie. Die insgesamt in einem Körper enthaltene Energie wird '''innere Energie''' genannt.
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|}


===Temperatur===

*Sie wird mit einem Thermometer in Grad Celsius (1°C) gemessen und hat dann das Symbol <math>\theta</math> 


*Für feste, flüssige oder auch gasförmige Körper gilt: 

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Je niedriger die Temperatur eines Körpers ist, desto langsamer bewegen sich im Mittel die Teilchen aus denen er besteht
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|}


*Die Temperatur, bei der die kinetische Energie der Teilchen gleich Null ist, nennt man '''absoluter Temperaturnullpunkt''', er liegt bei 0 Kelvin, was -273,15°C entspricht.
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== Änderung der inneren Energie ==
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[[Bild:Schmelzen.jpg]]
[[Bild:Verdampfen.jpg]]
'''Wärme:'''       
Symbol: Q
Einheit: 1J=1(kgּm²)/s²

Grundgleichung der Wärmelehre bei Erwärmen oder Abkühlen von Körpern ohne Aggregatszustandsänderung:
'''Q=cּmּΔ<math>\vartheta</math>'''

'''1.Hauptsatz der Wärmlehre:''' 

In einem abgeschlossenen System ist die Änderung der inneren Energie(Ei) verbunden mit der Zufuhr oder Abgabe von Wärme und dem Verrichten mechanischer Arbeit.

'''ΔEi=W+Q'''               
                      '''ΔEi''':Änderung der inneren Energie
                      '''W''':Verrichten mechanischer Arbeit
                      '''Q''':Abgabe/Zufuhr von Wärme



|}

== Energieentwertung ==
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=== Reversible und irreversible Vorgänge ===
Ein Vorgang in Natur und/oder Technik kann reversibel oder irreversibel verlaufen. Das bedeutet:


'''reversible Vorgänge'''[[Bild:Fadenpendel.JPG|200px|right]]


ein reversibler Vorgang ist umkehrbar. D.h. der Ausgangszustand wird von allein wieder erreicht



Beispiel: Bewegung der Erde um die Sonne, Fadenpendel (bei kurzer Dauer)













'''irreversible Vorgänge'''[[Bild:Energiebilanz.jpg|400px|right]]


ein irreversibler Vorgang ist '''NICHT''' umkehrbar, d.h. der Ausgangszustand kann '''NICHT''' von alleine wieder erreicht werden.



Beispiel: Verbrennen eines Stoffes


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===Wirkungsgrad bei irreversiblen Vorgängen===
Bei allen irreversiblen Vorgängen wird Energie in Form von Wärme entwertet. Der Wirkungsgrad bei allen Vorgängen, bei denen auch die Innere Energie eine Rolle spielt, ist folglich immer kleiner als 100%, da Innere Energie nie vollständig in andere Energieformen umgewandelt werden kann.

Also tritt immer eine Energieentwertung auf.

Beispiel: Ein laufender Motor erhitzt sich. Die Wärmeenergie wird durch die Verbrennung des Treibstoffs erzeugt, allerdings kann sie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden.

'''Der Energieerhaltungssatz gilt trotzdem.'''


Hier findest du Aufgaben dazu:

[http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph08_g8/materialseiten/04entwertung.htm leifiphysik]

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== Volumenänderung bei Temperaturänderung ==
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===Volumenänderung von Flüssigkeiten===
(Daniel H.,Patrik H.,Sebastian B.,)

Flüssigkeiten (außer Wasser) dehnen sich bei konstanter Temperaturerhöhung linear aus.

 Volumenausdehnung = Ausgangsvolumen ּ Volumenausdehnungskoeffizient ּ Temperaturdifferenz

[[Bild:lol.png]]


'''Volumenausdehnungskoeffizienten Beispiele (γ in l/°C bei 20 °C ):'''

Einige Beispiele für den Längenausdehnungskoeffizient:
{| border="1"
| style="background:lightblue;" |<div align="center">'''Stoffe'''
| style="background:lightblue;" |α = 1/°C
|-
| style="background:lightblue;"|Benzin
| style="background:lightblue;"|0,0010
|-
| style="background:lightblue;"|Wasser
| style="background:lightblue;"|0,00021
|-
| style="background:lightblue;"|Quecksilber
| style="background:lightblue;"|0,00018
|-
| style="background:lightblue;"|Petroleum
| style="background:lightblue;"|0,0009
|-
| style="background:lightblue;"|Heizöl
| style="background:lightblue;"|0,0009
|-
| style="background:lightblue;"|Alkohol
| style="background:lightblue;"|0,0011
|}


Beispiel:

Berechne die Volumenänderung von 76 Liter Benzin, wenn sie sich von 10°C auf 20°C erwärmen.

Gegeben:
V<sub>0</sub>=76 l; γ = 0,0010 l/°C; Δδ = 10°C

Gesucht:
Δ V

Lösung:
ΔV =  V<sub>0</sub>ּγּΔδ
   = 76 l ּ 0,0010 l/°C ּ 10°C
   = 0,76 l
Das Benzin hat sich um 0,76 l ausgedehnt.


====Anomalie des Wassers====

'''Dichte:'''

Wasser hat unter Normaldruck seine größte Dichte bei ca. 4°C und zeigt damit eine Dichteanomalie. 
Diese besteht darin, dass sich Wasser unterhalb von ca. 4°C bei weiterer Temperaturverringerung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand, wieder ausdehnt, was man nur von wenigen Stoffen kennt.
Dies führt dazu, dass Eisberge schwimmen. 
Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. 
Es erhöht sich also das Volumen und die Dichte wird damit geringer. 
Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum.
Festes Wasser hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser, es schwimmt (=anomales Verhalten).

'''Es gilt:'''

-je größer die Temperatur des Wassers, desto kleiner die Dichte

-je kleiner die Temperatur des Wassers, desto größer die Dichte

'''Außer''':[[Bild:AnomalieWasser.jpg|right]]


Ab 4°C wird das Volumen nicht kleiner, sondern bis 0°C wieder größer.
Wasser hat bei 4°C die größte Dichte.



|}


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 |

===Längenänderung von Festkörpern===
(von Albin Zehe, Dominik Heusinger, Stefanie Brix)

Alle Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus, jedoch nicht alle gleichmäßig (linear). Dafür ist der jeweilige Längenausdehnungskoeffizient verantwortlich. Dieser ist bei jedem Stoff anders. Es kann berechnet werden, um wie viel cm sich ein Stoff ausdehnt und zwar mit dieser Formel:

 Δl = α ּ l<sub>o</sub> ּ Δδ

oder:

 Volumenänderung = Volumenausdehnungskoeffizient ּ Ausgangslänge  ּ Temperaturänderung


Einige Beispiele für den Längenausdehnungskoeffizient:
{| border="1"
| style="background:lightblue;" |<div align="center">'''Stoffe'''
| style="background:lightblue;" |α = 1/°C
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |<div align="center">'''Stoffe'''</div> 
| style="background:lightblue;" |α = 1/°C
|-
| style="background:lightblue;" |'''Elemente'''
| style="background:lightblue;" |<span style="color:lightblue">..............</span> 
| style="background:lightblue;" |<span style="color:lightblue">..............</span> 
| style="background:lightblue;" |'''Andere'''
| style="background:lightblue;" |
|-
| style="background:lightblue;" |Aluminium
| style="background:lightblue;" |0,000 024
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Beton
| style="background:lightblue;" |0,000 012
|-
| style="background:lightblue;" |Messing
| style="background:lightblue;" |0,000 018
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Glas
| style="background:lightblue;" |0,000 008
|-
| style="background:lightblue;" |Silber
| style="background:lightblue;" |0,000 020
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Granit
| style="background:lightblue;" |0,000 003
|-
| style="background:lightblue;" |Gold
| style="background:lightblue;" |0,000 014
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Kochsalz
| style="background:lightblue;" |0,000 040
|-
| style="background:lightblue;" |Zinn
| style="background:lightblue;" |0,000 027
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Polyester
| style="background:lightblue;" |0,000 080
|-
| style="background:lightblue;" |Zink
| style="background:lightblue;" |0,000 036
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |PVC (biegsam)
| style="background:lightblue;" |0,000 240
|-
| style="background:lightblue;" |Kupfer
| style="background:lightblue;" |0,000 016
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Porzellan
| style="background:lightblue;" |0,000 003
|-
| style="background:lightblue;" |Blei
| style="background:lightblue;" |0,000 029
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Titan
| style="background:lightblue;" |0,000 010
|-
| style="background:lightblue;" |Eisen
| style="background:lightblue;" |0,000 012
| style="background:lightblue;" |
| style="background:lightblue;" |Silizium
| style="background:lightblue;" |0,000 002
|}

Beispiel:
Man erwärmt ein Eisenrohr der Länge 1 Meter um 20°C.

Gegeben: α = 0,000.012 1/°C; l<sub>o</sub> = 1m; Δδ = 20°C

Gesucht: Δl

Lösung: 
        Δl = α ּ l<sub>o</sub> ּ Δδ
           = 0,000.012 1/°C ּ 1m ּ 20°C
           = 0,00024 m

Das Rohr wird dadurch also 0,00024 m länger, das sind 0,24 mm.

Einige Beispiele dazu könnt ihr euch [http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph08_g8/versuche/05laengen_fest/laengenfest.htm hier] ansehen, Übungen findet ihr auf [http://www.educa.ch/tools/70317/files/Uebungen_1_Laengenausdehnung.pdf dieser] und [http://www.educa.ch/tools/70317/files/Uebungen_2_Laengenausdehnung.pdf dieser] Seite.

|}



{|width=100%| style="background-color:lightblue; border: 1px solid #dfdfdf; padding:0.5em"
 |

=== Volumenänderung von Gasen ===

Alle Gase dehnen sich unter Wärmezufuhr ungefähr gleich aus, wenn der Druck konstant ist.

Die Ausdehnung hängt vom Anfangsvolumen und der Temperaturänderung ab.
|}