Physik 9 · Wärmelehre

Teilchenmodell und Brownsche Bewegung

1827 sah der Botaniker Robert Brown im Mikroskop, dass winzige Körnchen im Wasser ständig zittern, ohne dass etwas sie antreibt. Die Erklärung: Alle Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich dauernd bewegen und gegen das Körnchen stoßen. Je höher die Temperatur, desto schneller sind sie.

So gehst du vor

1Beobachte das große Teilchen. Es wird von den kleinen angestoßen, die rote Spur zeigt seinen Weg.
2Ändere mit dem Regler die Temperatur und achte auf die Verteilung der Geschwindigkeiten.
3Schalte „Kleine Teilchen zeigen“ aus. So sah Brown es im Mikroskop.
4Ziehe das große Teilchen mit dem Finger an eine andere Stelle und halte es dort fest.

Temperatur

300 K

in Celsius

27 °C

Energie je Teilchen

1,00 × E₃₀₀

Die Anzeige vergleicht die mittlere Bewegungsenergie mit dem Wert E₃₀₀ bei 300 K. Das Modell läuft in der Ebene, stark vergrößert und sehr verlangsamt. In Wirklichkeit ist ein Körnchen viele tausendmal so groß wie ein Teilchen und viel schwerer als hier.

Temperatur T

300 K

Anzahl kleiner Teilchen

240

Wie schnell sind Luftteilchen?

Mittlere Geschwindigkeit in Luft bei dieser Temperatur: 510 ms

Stöße am großen Teilchen: 0 je Sekunde

Kleine Teilchen sind – so schnell wie das große.

Temperatur und Teilchenbewegung

Die Temperatur in Kelvin ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen: Doppelte Temperatur in Kelvin heißt doppelte Energie. Celsius und Kelvin haben gleich große Schritte, nur der Nullpunkt ist verschoben: T in K = T in °C + 273,15. Bei 0 K bewegen sich die Teilchen in diesem Modell nicht mehr. Kälter geht es nicht.

Aufträge

Stelle 300 K und dann 600 K ein. Um welchen Faktor wächst die Energie je Teilchen? Um welchen die Geschwindigkeit in der Anzeige unter dem Diagramm?
Rechne um: Wie viel Kelvin sind 20 °C, wie viel Grad Celsius sind 77 K (flüssiger Stickstoff)?
Schalte die kleinen Teilchen aus und beschreibe die Bewegung des großen Teilchens. Warum konnte man daraus auf Teilchen schließen, die niemand sehen kann?
Warum bewegt sich das große Teilchen viel langsamer als die kleinen? Lies das Verhältnis der Geschwindigkeiten ab. Das große Teilchen hat die 16-fache Masse.
Stelle die Teilchenzahl von 60 auf 300. Wie ändert sich die Zahl der Stöße je Sekunde? Warum zittert ein sehr großes Körnchen kaum noch?
Stelle 0 K ein. Was passiert? Warum kann es keine tiefere Temperatur geben?

Theorie: Kapitel „Temperatur“. Wie sich Druck, Volumen und Temperatur eines Gases zusammen ändern, zeigt die Seite Zustandsänderungen von Gasen (Zusatz).