Frage von faw88, 28

Aus welchem Grund genau - auf atomarer Ebene betrachtet - dehnen sich warme / heiße Dinge aus?

Antwort
von indiachinacook, 5

Bei Gasen ist das ziemlich einfach: Die Wärmeenergie steckt vor allem in der kineti­schen Energie der Moleküle. Schneller flie­gen­de Moleküle heißt mehr Druck, und den wird das er­wärmte System da­durch los, daß es sich aus­dehnt. Dabei ist die Aus­deh­nung der Tem­pera­tur­diffe­renz in guter Nähe­rung pro­portio­nal: Wenn Du Gas von ungefähr Raum­tempera­tur (300 K) hast und Du er­wärmst es um 10 K, dann dehnt es sich um 10/300≈3% aus.

Bei Flüssigkeiten und Festkörpern ist das schwieriger. Die Flüssig­keiten lasse ich aus, und kon­zentrie­re mich auf die Festkörper.

In festen Stoffen gibt es chemische Bindungen zwischen den Atomen. Steckt man thermi­sche Energie hinein, dann schwingen die Atome inne­r­halb eines Moleküls oder Gitters stärker, und (wenn vor­han­den) die Moleküle gegen­einander. Da­durch kommt es zu einer Aus­dehnung, aber die ist ver­gleichs­weise winzig: Ein Stab von 1 m Länge wird sich nur um Bruchteile eines Milli­meters ausdehnen, wenn Du ihn von 300 auf 310 K erwärmst.

Wo kommt aber diese Ausdehnung her? Bei einer idealen Feder („harmoni­scher Oszillator“) braucht man gleich viel Energie, um sie zu dehnen oder zu stauchen. Bei einer echten chemischen Bindung ist das anders: Die läßt sich leichter aus­­einander­­reißen als zu­sammen­quetschen. Denn wenn ich die Bindung aus­einander­reiße, dann muß ich maximal die Bindungs­energie in­vestie­ren, wenn ich sie aber auf Null zu­sam­men­drücke, dann brauche ich fast ∞ viel Energie.

Nimm an, eine Bindung sei am absoluten Nullpunkt gerade 1 Ångström lang. Wenn ich Energie (Wärme) zuführe, dann kann die Bindung schwingen, z.B. liegt sie dann im Bereich zwischen 0.98 und 1.05 Å. Die Asym­metrie dieses Intervalls kommt aus der  Asym­metrie der Kräfte, die das Ding zusammen­halten: Um die Bindung von ihrem Gleich­gewichts­abstand 1 Å auf 0.98 Å zu stauchen, brauche ich gleich viel Energie wie um die auf 1.05 Å zu dehnen.

Bei stärkerer Schwingungsanregung (hoher Temperatur) sind die Abstände also breiter verteilt, mit einem Hang zu längeren Ab­ständen. Deshalb domi­niert Dehnung über Stauchung, und das Zeug dehnt sich netto aus.

Genaue Erklärung mit Bildern gibt es hier: http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2015/09/07/warum-dehnen-sich-warme-ob...

Antwort
von kami1a, 2

Hallo!  Ich biete Dir hier eine Antwort, wie sie so in keinem Deiner Lehrbücher steht - gerade deswegen wird es für Dich verständlich sein .

- 273° Celsius ist der absolute Nullpunkt, kälter geht nicht. warum? Die Temperatur gibt eigentlich immer die Durchschnittsgeschwindigkeit von Elementarteilchen wieder.

 Wir nehmen mal Eisen und bleiben dabei. Bei - 273° ruhen die Eisenatome, Tempo Null - weniger geht nicht. Wird Wärme zugeführt, so ist das Bewegungsenergie für die Atome im noch festen Eisen, sie schwingen mit steigender Temperatur heftiger um ihre Position, brauchen so mehr Platz, das Eisen dehnt sich aus.

 Wir erwärmen weiter. Bei 1538° Celsius ist eine Temperatur erreicht - der Schmelzpunkt - bei der die inneren Bindekräfte des Eisens die Atome nicht mehr in ihrer Position halten können - die Atome können sich innerhalb der Masse - jetzt eine Flüssigkeit - frei bewegen. Und wieder gibt die Temperatur im Prinzip nur die Durchschnittsgeschwindigkeit der Eisenatome an.

 Bei 2862 ° Celsius kann die Bewegungsenergie die Bindekräfte des flüssigen Eisens überwinden - Beim Siedepunkt verdampft das Eisen und wird gasförmig.

alles Gute.

Kommentar von Schwoaze ,

Sehr gut erklärt!

Antwort
von 434FrageAntwort, 10

Das liegt an der Geschwindigkeit der Atome. D.h. bei Erwärmung bewegen sie sich schneller. Daraufhin prallen sie öfter gegeneinander und vor allem an den rand des Körpers. Diese Übertragung von der kinetischer Energie in die verformungsarbeit hat zur Folge, dass sich ein körper ausdehnt.

Antwort
von MrProgramm, 8

Wärme ist eine Energieform. Das bedeutet, dass Energie auf die Atome übertragen wird. Die setzen das dann in kinetische Energie um und schwingen dadurch mehr. Dadurch brauchen sie dann mehr Platz.

Antwort
von newcomer, 15

nun wenn die Atome unruhiger werden ( Schwingen ) vergrößert sich das Metallgitter weil die Atome mehr Platz brauchen

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