Physik Klasse 5
Ausdehnung von Flüssigkeiten
Schülerversuch:
Wir füllen Glaskolben mit gefärbtem Wasser. Dann stecken wir Stopfen darauf. Dadurch entsteht ein Glasrohr als Thermometer.
Wenn man Flüssigkeiten erwärmt, dehnen sie sich aus. Diese Eigenschaft benutzen wir bei Flüssigkeitsthermometern.
Schülerversuch:
Im folgenden Versuchen sehen wird, wie sich verschiedene Flüssigkeiten unterschiedlich ausdehnen.
Merke:
Mit anderen Worten: Alle Flüssigkeiten dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Verschiedene Flüssigkeiten tun dies jedoch unterschiedlich stark.
Die Anomalie des Wassers
Schülerversuch:
Wir stellen eine Kältemischung her.
Dazu zerstochen wir drei Teile Eis und geben einen Teil Kochsalz dazu. Danach messen wir jede Minute die Temperatur.
Schülerversuch:
Wir lassen Wasser in einem Reagenzglas frieren. Danach betrachten wir die Ausdehnung.
Schülerversuch:
Wir füllen je ein Kolben mit Steigrohr mit Wasser und Spiritus. Dann lassen wir diese diese Kältemischung auf 0°C abkühlen und markieren den Flüssigkeitsstand. Anschließend lassen wir ihn der Luft erwärmen und markieren jede Minute den Flüssigkeitsstand.
Merke:
Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus, zieht sich beim Erwärmen von 0°C bis 4°C jedoch wieder zusammen. Dieses ungewöhnliche Verhalten des Wassers nennt man Anomalie des Wassers.
Anwendungen:
Damit das Kühlwasser im Auto sich bei unter Null Grad nicht gefriert und sich ausdehnt, muss man Frostschutz hineingeben.
Fische erfrieren unterm Eis nicht, weil das Eis leichter ist und oben schwimmt.
Dadurch ermöglicht die Anomalie des Wassers das Leben.
Gefrorenes Wass kann sogar Felsen spalten.
Wenn das Wasser auf dem Feld gefriert, wird der Erboden in kleine Teile gebrochen. Dadurch ist der Frost ein Helfer der Landwirtschaft.
Anderseits macht Frost macht Straßen kaputt und Eisberge gefährden die Schifffahrt.
Ausdehnung fester Körper
Schülerversuche:
Wir erwärmen einen Eisendraht elektrisch. Dann beobachten wir, wie er länger wird.
Ein Fahrdraht von elektrischen Bahnen dehnt sich bei Erwärmung aus und würde durchhängen. Deshalb wird er von Gewichten straff gehalten.
Betonplatten von Bauwerken dehnen sich ebenfalls aus. Deshalb befinden sich zwischen ihnen Dehnungsfugen.
Beim Verlegen von dicken Rohrleitungen baut man Bogen ein, damit die Rohre sich bei Erwärmung ausdehnen können.
Dies wird zum Beispiel auch eingetzt, damit ein Kugellager fest auf einer Welle sitzt. Aufschrumpfen eines Kugellagers auf eine Antriebswelle.
- Man erwärmt das Lager, dadurch dehnt es sich aus.
- Danach bringt man es auf die Welle.
- Anschließend kühlt das Lager kühlt sich und zieht sich zusammen. Dann sitzt es fest auf der Welle.
Merke:
Feste Körper dehnen sich bei Erwärmung aus. Dabei vergrößern sich Länge, Oberfläche und Volumen. Beim Abkühlung ziehen sie sich wieder zusammen. Wenn man das Zusammenziehen verhindert, entstehen große Kräfte.
Wie stark dehnt sich Metall aus?
Wegen Temperaturschwankungen ändert sich die Lage der Brücke dauernd. Daher muss sie auf den Pfeilern und an den Enden auf Rollen gelagert werden. Außerdem braucht sie noch Dehnungsfugen an den beiden Enden.
Schülerversuch:
Wir messen die Ausdehnung eines Eisenrohrs und anderer Materialien.
Die Längenänderung eines Gegenstandes ist abhängig von der Temperaturänderung, von seiner Länge und vom Material.
Bemerkung:
In der Technik muss man die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien beachten, z.B. bei Stahl und Beton.
Aluminium und Glas würden zerbrechen nicht, deshalb setzt man Gummidichtungen zum Ausgleich ein.
Wie funktioniert Bimetall?
Schülerversuch:
Wir spannen einen Bimetallstreifen ein und erwärmen ihn mit einer Kerze. Anschließend machen wir das Gleiches mit einem umgedrehten Bimetallstreifen.
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei Metallstreifen, die fest miteinander verbunden sind. Wenn man ihn erhitzt, dann biegt er sich. Wenn er sich abkühlt, streckt er sich wieder.
Deshalb kann man einen Bimetallstreifen zur Temperaturmessung benutzen.
Schülerversuch:
Wir bauen einen Bimetallstreifen als Schaltelement in einem Stromkreis ein.
Zuerst kann der Strom nicht fließen, da der Stromkreis unterbrochen ist. Deshalb leuchtet die Lampe nicht.
Wenn die Kerze den Bimetallstreifen erwärmt, dann krümmt er sich nach oben und schließt somit den Stromkreis. Dann leuchtet die Lampe.
Dieses Prinzip setzt man z. B. bei Feuermeldern ein. Weitere Anwendungen sind außerdem die Thermostatschaltungen bei der Raumheizung, Bügeleisen, Heißwasserbereiter usw.
Zusammenfassung:
Die Ausdehnung fester Körper bei Erwärmung ist um so größer, je länger der Körper und je größer der Temperaturunterschied ist. Sie hängt außerdem noch vom Material ab. Die Materialabhängigkeit wird z. B. beim Bimetallstreifen ausgenutzt. Bei Erwärmung verbiegt er sich. Deshalb kann er als Thermometer und als temperaturgesteuerter Schalter eingesetzt werden.
Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Elektrizität und Wärme darin auch Links zu Aufgaben.