Wärmeausdehnung von Luft

Wärmeausdehnung von Luft
Aufbau des Versuches
Kurzbeschreibung
Zuerst erwärmt man eine Glasflasche und dann stülpt man einen Luftballon über ihre Öffnung. Wenn die Luft in der Flasche abkühlt, nähern sich die Luftteilchen wieder aneinander an. D.h. der Flascheninhalt schrumpft wieder zusammen und der Luftballon wird einfach in die Flasche gesaugt.
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Klasse 5, 6, 7.
Basiskonzept:	Struktur der Materie
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment, Schülergruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	/
Anspruch des Aufbaus	leicht
Informationen
Name:	Claudia Bonanno
Kontakt:	${\text{claudia.bonanno}}$@${\text{rub.de}}$
Uni:	Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in:	Dr. phil.nat. Rainer Wackermann

Die meisten Materialien dehnen sich beim Erwärmen aus: Metalle, Flüssigkeiten aber auch Gasen. Dies kann man in der Regel bei Metallen und Flüssigkeiten allerdings nicht sehen, da die Ausdehnung nur minimal ist. Bei Gasen, wie z.B. Luft, ist die Ausdehnung beim Erwärmen deutlich größer und daher besser zu beobachten. Mi dem folgenden Experiment kann außerdem verdeutlicht werden, dass Luft nicht nur in einem Trinkglas vorkommt, sondern überall vorhanden ist, im Experimentierraum, draußen im Freien, unter dem Tisch, hinter den Gardinen, und eben auch in einer Flasche.

Didaktischer Teil

Volumenänderungen von Gasen kommen in verschiedenen Alltagssituationen vor, z.B. in der Funktionsweise eines Heißluftballons. Der Versuch "Wärmeausdehnung von Luft" eignet sich gut als qualitativer Versuch zum Einstieg einer Unterrichtseinheit in einer Klasse der Sekundarstufe I, um das Verhalten von Luft bei Erwärmung bzw. Abkühlung zu verdeutlichen. Die Schüler und Schülerinnen können anhand dieses Versuchs erfahren, dass sich Gase, in diesem Fall Luft, bei Temperaturänderungen ausdehnen und dass diese Ausdehnung ein reversibler Prozess ist. Da die Kosten von den Materialien sehr niedrig sind, kann man diesen Versuch problemlos in der Schule durchführen. Da bei der Durchführung kaum Schwierigkeiten auftreten, kann der Versuch sowohl als Lehrerdemonstrations- als auch als Schülergruppenexperiment durchgeführt werden.

Versuchsanleitung

Aufbau

Was brauchst du?

1. 1 leere Glasflasche
2. einen Luftballon
3. Wasser
4. Handtuch oder Kochhandschuh, Schutzbrille.

Die Flasche wird mit heißem Wasser gefüllt und man wartet bis die Flasche warm wird (1-2 Minuten). Danach wird die Flasche entleert und sofort wird der Luftballon über die Öffnung der Flasche gestülpt. Dann beobachtet man den Luftballon.

Durchführung

1. Das Wasser zum Sieden bringen.
2. Die Flasche mit dem heißen Wasser bis zum Rand füllen. Aber Vorsicht! Nicht Verbrennen!
3. Nach 1-2 Minuten die Flasche entleeren und sofort den Luftballon über die Öffnung der Flasche stülpen.
4. Beobachtung des Luftballons.

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https://www.youtube.com/watch?v=_n839MmQ7pw

Beobachtung

Der Luftballon wird in der Flasche gesaugt.

Sicherheitshinweise

Bei diesem Versuch ist zu beachten, dass das heiße Wasser und die heiße Flasche ohne Handschutz (Kochhandschuh oder Handtuch) nicht angefasst werden darf. Außerdem wenn man den Luftballon über die Öffnung der Flasche stülpt, sollte man die Schutzbrille tragen.

Erklärung

Die meisten Körper - ob fest, flüssig oder gasförmig - vergrößern bei Temperaturerhöhung ihr Volumen. Im Teilchenmodell bedeutet Temperaturerhöhung eine Erhöhung der mittleren kinetischen Energie der Teilchen. Man kann sich gut vorstellen, dass schnell hin und her flitzende Teilchen mehr Raum beanspruchen. Durch das heiße Wasser wird die Luft in der Flasche erwärmt. Die Luft fängt dann an, sich auszudehnen und steigt dementsprechend nach oben. Dies bedeutet, dass durch die Temperaturerhöhung die Luftteilchen in der Flasche zu springen anfangen. Daher wird der Abstand von Teilchen zu Teilchen größer. Wenn wir jetzt den Luftballon auf die Flaschenöffnung stülpen, dann haben wir einen Teil dieser Luft "ausgeschlossen". Durch Abkühlung der Luft nähern sich die Luftteilchen wieder aneinander an. D.h. der Flascheninhalt schrumpft wieder zusammen und der Luftballon wird einfach in die Flasche gesaugt.

Literatur

Alle Bilder und Videos in diesem Artikel wurden selbst erstellt.