Wärmeausdehnung: Experimente

Sophia war auf einer Geburtstagsparty und hat einen Luftballon bekommen. Es ist ein kalter Tag und während sie und Maria nach Hause gehen, verändert sich der Luftballon. Oh nein! Mein Luftballon wird kleiner! Verliert er Luft?

Mach dir keine Sorgen, Sophia! Weil es kalt ist, nimmt das Gas im Ballon gerade weniger Raum ein. Gehen wir nach Hause und ich zeige dir, wie das funktioniert! Zu Hause holt Maria eine Glasflasche mit engem Hals, zwei Schüsseln, eine Küchenwaage und einen neuen Luftballon aus einer Packung. Sie füllt die eine Schüssel mit heißem Wasser und die andere Schüssel mit kaltem Wasser und Eis.

Maria zieht die Öffnung des Luftballons über das offene Ende der Flasche und verschließt sie fest. Das schließt die Luft in ihrem Inneren ein. Sie wiegt die Flasche auf der Waage – sie wiegt 200 Gramm. Dieses Gewicht ist die kombinierte Masse aus Flasche, Luftballon und eingeschlossener Luft. Dann stellt Maria die Flasche vorsichtig ins heiße Wasser.

Der Luftballon wächst! Maria wiegt die Flasche wieder. Sie wiegt genauso viel wie vorher! Das bedeutet, dass sich die Menge an Luft nicht verändert hat. Aber irgendwie füllte sich der Ballon mit Luft.

Nur wie? Wenn Maria die Flasche ins heiße Wasser stellt, überträgt sich die Wärme des Wassers auf die Luft in der Flasche. Die Gasteilchen in der Flasche bewegen sich schneller und dehnen sich aus. Das bedeutet, dass sich das Volumen des Gases im Inneren erhöht. Darum bläst sich der Luftballon auf!

Die Luft in der Flasche dehnt sich aufgrund der steigenden Temperatur aus. Dieses Phänomen wird als Wärmeausdehnung bezeichnet. Als Nächstes nimmt Maria dieselbe Flasche und stellt sie ins Eiswasser. Der Luftballon wird sofort schlaff, als ob die ganze Luft entwichen wäre. Wenn sie die Flasche wiegt, hat sich die Masse wieder nicht geändert.

Das bedeutet, dass dieselbe Luft noch immer im Inneren sein muss. Wenn Maria die Flasche in kaltes Wasser stellt, kühlen sowohl die Flasche als auch die Luft darin ab. Die Teilchen werden langsamer und enger zusammengezogen. Die Luft nimmt weniger Raum ein und der Luftballon wird kleiner. Mit abnehmender Temperatur zieht sich die Luft zusammen.

Dasselbe kann bei Flüssigkeiten und Feststoffen passieren! Schauen wir mal! Nimm ein Thermometer. Es hat einen Behälter, der mit einer farbigen Flüssigkeit gefüllt ist, und ein sehr enges Röhrchen, das mit ihm verbunden ist - eine Kapillare. Merke dir, wie hoch die Flüssigkeit in der Kapillare steht.

Als Nächstes hältst du das Thermometer zuerst in eine Tasse mit warmem Wasser, dann in kaltes Wasser. Siehst du einen Unterschied beim Flüssigkeitsstand in der Kapillare? Genau wie die Luft im Luftballon dehnt sich die Flüssigkeit in der Kapillare des Thermometers aus, wenn die Temperatur steigt, und zieht sich zusammen, wenn die Temperatur sinkt. So funktioniert also ein Thermometer! Um zu beobachten, wie sich Feststoffe ausdehnen, schau dir dieses Experiment an.

Es werden dabei zwei Objekte verwendet: eine Metallkugel und ein Metallring. Bei Zimmertemperatur ist der Durchmesser von Kugel und Ring fast gleich, aber die Kugel passt gerade so durch den Ring. Jetzt erwärme die Kugel ein paar Minuten lang. Versuche dann noch mal, die Kugel durch den Ring zu führen. Sie passt nicht mehr durch!

Das erwärmte Metall hat sein Volumen vergrößert – es hat sich ausgedehnt. Aber lass die Kugel in kaltem Wasser abkühlen und sie wird wieder problemlos durch den Ring passen! Sophia, schau mal! Seit wir für diese Experimente reingekommen sind, ist dein Luftballon wieder normal groß geworden! Hurra!