Physik Realschule Bayern › Materie › Jahrgangsstufe 8
Ausdehnung bei Erwärmung und Anomalie des Wassers
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 8 · Bayern · Teilbereich Materie
Im Lernbereich Wärmelehre der 8. Jahrgangsstufe erklären Lernende die Wärmeausdehnung fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe mit dem Teilchenmodell und beschreiben die Anomalie des Wassers. Die Ausdehnung von Gasen führt in der 9. Jahrgangsstufe zur allgemeinen Gasgleichung.
Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus
Erwärmt man einen Körper, bewegen sich seine Teilchen stärker und brauchen mehr Platz. Fast alle Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Bei festen Körpern spricht man von Längenausdehnung und Volumenausdehnung, bei Flüssigkeiten und Gasen nur von Volumenausdehnung.
Die Ausdehnung ist klein, aber bei großen Bauteilen oder Temperaturunterschieden deutlich spürbar. Verschiedene Stoffe dehnen sich unterschiedlich stark aus.
Beispiel 1: Dehnungsfugen bei Brücken und Schienen
Warum haben Brücken Dehnungsfugen, und warum verlegt man Bahnschienen mit kleinen Lücken oder verschweißt sie unter Spannung?
Antwort: Bei Wärme dehnt sich das Material aus. Ohne Fugen würden sich die Teile gegeneinander drücken und könnten sich verbiegen oder brechen. Die Fugen geben der Ausdehnung Raum. Fehlen sie, können sich Schienen bei großer Hitze verwerfen.
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei fest verbundenen Metallen, die sich unterschiedlich stark ausdehnen. Bei Erwärmung biegt er sich, weil sich das eine Metall stärker verlängert als das andere. Das nutzt man in Thermometern und Temperaturschaltern (Thermostaten).
Beispiel 2: Der Bimetallstreifen
Ein Bimetallstreifen aus Eisen und einem stärker dehnbaren Metall wird erhitzt. In welche Richtung biegt er sich, und wozu nutzt man das?
Antwort: Er biegt sich zur Seite des Metalls, das sich weniger ausdehnt. In einem Thermostat (Bügeleisen, Heizung, Backofen) schließt oder öffnet der gebogene Streifen einen Kontakt und schaltet so bei einer eingestellten Temperatur den Strom ein oder aus.
Die Anomalie des Wassers
Wasser verhält sich im Bereich um den Gefrierpunkt anders als die meisten Stoffe. Kühlt man Wasser ab, zieht es sich zunächst zusammen, erreicht aber bei \(4\,^\circ\mathrm{C}\) sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte. Kühlt man weiter ab, dehnt es sich wieder aus. Beim Gefrieren zu Eis vergrößert sich das Volumen deutlich. Dieses besondere Verhalten heißt Anomalie des Wassers.
Beispiel 3: Warum Seen von oben zufrieren
Im Winter bildet sich auf einem See zuerst oben eine Eisschicht, während es darunter flüssig bleibt. Wie hängt das mit der Anomalie des Wassers zusammen?
Das Wasser mit \(4\,^\circ\mathrm{C}\) ist am dichtesten und sinkt deshalb nach unten. Kälteres Wasser und Eis sind leichter und bleiben oben. So kühlt ein See von oben aus, und am Grund bleiben etwa \(4\,^\circ\mathrm{C}\).
Antwort: Weil Wasser bei \(4\,^\circ\mathrm{C}\) am dichtesten ist, sammelt sich das wärmste Wasser am Grund. Der See friert von oben zu, und Fische können im Wasser darunter überwintern. Ohne die Anomalie würden Gewässer von unten zufrieren.
Beispiel 4: Geplatzte Wasserleitungen
Warum platzt eine volle Glasflasche im Gefrierfach, und warum springen im Winter Wasserrohre?
Antwort: Beim Gefrieren vergrößert Wasser sein Volumen um etwa ein Elftel. Das ausdehnende Eis sprengt die Flasche oder das Rohr. Deshalb lässt man im Winter Außenleitungen leerlaufen und stellt keine vollen Flaschen ins Gefrierfach.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- „Metall schrumpft bei Hitze.“ Fast alle Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus, nicht zusammen.
- Anomalie falsch angegeben: Die größte Dichte hat Wasser bei \(4\,^\circ\mathrm{C}\), nicht bei \(0\,^\circ\mathrm{C}\).
- Eis ist dichter als Wasser: Nein, Eis ist leichter und schwimmt deshalb.
- Bimetall biegt sich zum stärker dehnbaren Metall: Umgekehrt. Es biegt sich zur Seite des Metalls, das sich weniger ausdehnt.
- Ausdehnung vergessen: Bei Brücken, Schienen, Stromleitungen und Rohren ist die Wärmeausdehnung technisch wichtig.
Üben: Aufgaben zur Wärmeausdehnung
Zum Vertiefen gibt es Verständnisfragen im Quiz, passend zum Thema.
Vorheriges Thema: Temperatur und Teilchenmodell
Nächstes Thema: Wärmetransport: Leitung, Strömung, Strahlung
Vertiefung Jahrgangsstufe 9: Absoluter Nullpunkt und Gasgesetze
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