Check-up – Thermisches Verhalten von Körpern – Lösungen

a Falsch. Nicht alle Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus. Es gibt bestimmte Glaskeramiken und Kunststoffe, die sich bei Erwärmung zusammenziehen.

b Richtig.

c Richtig.

d Richtig.

e  Falsch. Die Aussage ist für fast alle Temperaturbereiche korrekt, jedoch gibt es die Ausnahme des Temperaturbereichs zwischen 0 °C und 4 °C. Dort zieht es sich bei Erwärmung zusammen.

f  Richtig.

g  Falsch. Wasser zieht sich zusammen, wenn es von 1 °C auf 4 °C erwärmt wird.

h  Richtig.

i  Richtig.

Das Blech dehnt sich beim Erwärmen in alle Richtungen aus. Da das Loch Teil des Blechs ist, vergrößert sich auch sein Durchmesser. Die Kugel wird anschließend durch das Loch passen.

a Die Oberleitungen dehnen sich bei Erwärmung aus und würden ohne die Vorrichtung durchhängen. Bei Kälte ziehen sie sich zusammen und könnten reißen. In beiden Fällen würden die Oberleitungen ohne Spannvorrichtung ihren Abstand zum Boden bzw. zu den Stromabnehmern am Zug ändern, was technische Probleme verursacht.

b Im Sommer hängen die Gewichte tiefer, da sich die Oberleitung bei höheren Temperaturen ausdehnt und von den Gewichten gespannt wird.

Im Winter zieht sich die Leitung wieder zusammen, die Gewichte hängen höher als im Sommer.

Hinweis: Der gleiche Effekt lässt sich – weniger ausgeprägt – auch bei Tag und Nacht beobachten.

a Der Flüssigkeitsstand nimmt ab.

b Flüssigkeiten verringern ihr Volumen beim Abkühlen.

Hinweis: Obwohl Säfte zum größten Teil aus Wasser bestehen, spielt die Anomalie des Wasser hier keine Rolle, da die Temperaturen beim beim Abfüllen deutlich über 4 °C liegen.

Beim Abkühlen unterhalb von 4 °C und insbesondere beim Übergang von flüssig zu fest benötigen Wasserteilchen (anders als andere Flüssigkeiten) mehr Platz (Anomalie des Wassers). Bietet das Gefäß diesen Platz nicht, werden die Gefäßwände stark auseinandergedrückt. Insbesondere Glasflaschen, aber auch Plastikflaschen platzen dann.

Wenn das Kühlwasser gefriert, wäre es möglich, dass das Eis den Motorblock bzw. das Kühlsystem sprengt. Das Frostschutzmittel verhindert das Gefrieren des Wassers.

Wenn das Schlauchboot am Ufer in der prallen Sonne liegt, erwärmt sich die Luft in seinem Inneren und dehnt sich aus. Zu prall aufgeblasene Schlauchboote können dann platzen.

Beim Erhitzen dehnt sich die Luft im Inneren des Eis aus. Durch das Anstechen kann die Luft entweichen, wodurch verhindert wird, dass das Ei platzt.

Hinweis: Weitere Lösungen sind möglich.

a Im Teilchenmodell bewegen sich die Duftstoffteilchen ungeordnet und ständig. Wenn du Parfüm in der Ecke eines Raumes versprühst, verteilen sich die Duftstoffteilchen durch ihre ständige Bewegung im gesamten Raum. Die Duftstoffteilchen stoßen dabei immer wieder mit den Luftteilchen zusammen und breiten sich so aus, bis sie überall im Raum vorhanden sind.

b Um nachzuweisen, dass nicht Luftströmungen im Raum für die Verteilung des Duftstoffs verantwortlich sind, kannst du den Versuch in einem geschlossenen Raum ohne Luftbewegung durchführen. Dazu könntest du den Raum abdichten und sicherstellen, dass keine Ventilation oder Luftströmungen vorhanden sind. Versprühe das Parfüm in einer Ecke des Raumes und beobachte, ob sich der Duftstoff trotzdem im gesamten Raum verteilt. Wenn dies der Fall ist, liegt es an der ungeordneten Bewegung der Duftstoffteilchen und nicht an Luftströmungen.

a Die Masse eines Körpers ist die Menge an Materie, die er enthält, während das Volumen der Raum ist, den der Körper einnimmt. Bei gleicher Masse kann das Volumen unterschiedlich sein, je nachdem, aus welchem Material der Körper besteht. Holz hat eine höhere Dichte als Styropor, daher nimmt es bei gleicher Masse weniger Raum ein.

b Die Dichte ρ wird berechnet durch das Verhältnis von Masse m und Volumen V: \(\rho= \frac{m}{v}\).

Für Holz: \(\rho=\frac{5\text{ g}}{7,15\ \mathrm{ cm^3}}=0,70\ \mathrm{\frac{g}{cm^3}}\).

Für Styropor: \(\rho=\frac{5\text{ g}}{166,65\ \mathrm{ cm^3}}=0,03\ \mathrm{\frac{g}{cm^3}}\)

c Die Dichte eines Stoffes beschreibt, wie eng die Teilchen des Stoffes zusammengepackt sind. Im Teilchenmodell liegen die Teilchen bei Festkörpern eng beieinander und haben eine starke Bindung. Bei Holz sind die Teilchen dichter gepackt als bei Styropor, weshalb Holz eine höhere Dichte hat. Styropor hat eine geringere Dichte, weil die Teilchen weiter auseinander liegen und mehr leerer Raum zwischen ihnen ist.

a Sieht man von lokalen Luftdruckschwankungen ab, gilt, dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe geringer wird. Auf einem Gipfel herrscht also ein geringerer Druck als im Tal. Wenn man auf dem Gipfel eine leere Plastikflasche verschließt, dann steht die in der Flasche eingeschlossene Luft unter diesem Druck. Wandert man dann mit der verschlossenen Flasche talwärts, dann entsteht ein zunehmender Druckunterschied zwischen dem Flascheninneren und dem äußeren Luftdruck, der die Flasche schließlich eindrückt. Wenn der Kunststoff einigermaßen elastisch ist, hört man beim Öffnen der Flasche ein Zischen: das Hineinströmen von Luft.

b Beim Abstieg vom Berg wird die verschlossene leere Plastikflasche eingedrückt. Auf dem Gipfel sind die Luftteilchen weniger dicht und üben daher geringeren Druck aus. Beim Abstieg nimmt der äußere Luftdruck zu, weil die Luftteilchen dichter gepackt sind. Die höhere Anzahl der äußeren Teilchen drückt die Flaschenwände nach innen, da der innere Druck der Flasche so niedrig bleibt, wie auf dem Gipfel. Diese Druckdifferenz führt zur Verformung der Flasche.

Ein zusätzliches Loch erleichtert das Ausgießen der Milch, weil es den Druckausgleich ermöglicht. Ohne das Loch entsteht ein Unterdruck im Tetrapack, der den Fluss der Milch behindert. Mit dem zusätzlichen Loch kann Luft in den Tetrapack strömen, wodurch der Druck ausgeglichen wird und die Milch gleichmäßig und schneller fließen kann.