Direkt zum Inhalt

Grundwissen

Volumenänderung von Flüssigkeiten

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Flüssigkeiten dehnen sich in der Regel beim Erwärmen unterschiedlich stark aus.
  • Die Volumenänderung hängt vom Raumausdehnungkoeffizienten der Flüssigkeit ab.
  • Wasser verhält sich bei niedrigen Temperaturen knapp über dem Gefrierpunkt anomal.
Aufgaben Aufgaben
Volumenänderung von Flüssigkeiten

Wenn man Flüssigkeiten erwärmt, dann dehnen sie sich im Allgemeinen in alle Richtungen aus, wenn man sie abkühlt, dann ziehen sie sich im Allgemeinen in alle Richtungen zusammen.

Verschiedene Flüssigkeiten dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus und ziehen sich beim Abkühlen auch unterschiedlich stark zusammen. Dieses unterschiedliche Verhalten verschiedener Flüssigkeiten beschreiben wir durch den  sogenannten Volumenausdehnungskoeffizient \(\gamma\); er gibt an, um welchen Bruchteil des Volumens bei \(0^\circ {\rm{C}}\) sich eine Flüssigkeit bei der Erwärmung auf \(1^\circ {\rm{C}}\) ausdehnt; für die Maßeinheit des Volumenausdehnungskoeffizienten gilt \(\left[ \gamma  \right] = \frac{1}{{^\circ {\rm{C}}}}\).

Eine Ausnahme bildet Wasser; es zieht sich beim Erwärmen zwischen \(0^\circ {\rm{C}}\) und \(4^\circ {\rm{C}}\) zusammen. Man bezeichnet diese Verhalten von Wasser als Anomalie des Wassers (anomal: gegen die Regel).

Nachweis der Volumenausdehnung von Flüssigkeiten

Abb. 1 Volumenänderung einer Flüssigkeit bei Erwärmung

Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten kannst du wie in der Animation dargestellt relativ einfach untersuchen. Dazu setzt du auf einen mit Flüssigkeit gefüllten Glaskolben ein enges Steigrohr (Kapillarrohr). Nun erwärmst du die Flüssigkeit im Kolben bspw. mit Hilfe eines Bunsenbrenners. Die sich ergebende Volumenänderung kannst du nun am Steigrohr beobachten.

Raumausdehnungskoeffizient

volumenaenderung_von_fluessigkeiten_diagramm-volumenausdehnungen_0.svg Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Volumenänderungen verschiedener Flüssigkeiten

Für verschiedene Flüssigkeiten im Kolben kannst du verschiedene Volumenänderungen feststellen. Die Grafik in Abb. 2 vergleicht die Volumenänderungen verschiedener Flüssigkeiten.

Mit Hilfe des Experimentes kannst Du, bei bekannter Geometrie des Steigrohres, auch den sog. Raumausdehnungskoeffizienten \(\gamma\) bestimmten. Dieser Wert ist eine Materialkonstante und gibt an, wie stark sich ein Stoff bei der Erwärmung um ein Kelvin relativ zu seinem Ausgangsvolumen ausdehnt. Du kannst ihn berechnen mit der Formel \[\gamma=\frac{\Delta V}{ {V_0} \cdot \Delta \vartheta}\]

wobei \(V_0\) das Ausgangsvolumen, \(\Delta V\) die Volumenänderung und \(\Delta \vartheta\) die Temperaturänderung ist.
Bei bekanntem Ausdehnungskoeffizienten kannst du mithilfe von \(\Delta V = {\gamma _{{\rm{Flüssigkeit}}}} \cdot {V_0} \cdot \Delta \vartheta\) auch Volumenausdehnungen berechnen.

Anomalie des Wassers

Viele Flüssigkeiten dehnen sich regulär aus, d.h. die Volumenänderung \(\Delta V\) ist proportional zur Temperaturänderung \(\Delta \vartheta\). Die für uns wichtigste Flüssigkeit, das Wasser, zeigt allerdings im Temperaturbereich knapp über dem Gefrierpunkt ein anomales Ausdehnungsverhalten.

Beispiele für Anwendungen

Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten wird in einer Reihen von technischen Anwendungen genutzt. Beispiele sind Flüssigkeitsthermometer, Sprinkleranlagen und Thermostatventile.

volumenaenderung_von_fluessigkeiten_thermometer1.svg Joachim Herz Stiftung
Aufgabe
volumenaenderung_von_fluessigkeiten_versuchsaufbau.jpg Joachim Herz Stiftung

Du hast, wie im Bild dargestellt, einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Glaskolben, auf dem sich ein enges Steigrohr mit bekanntem Innendurchmesser befindet. Nun wird die Flüssigkeit mit einem Bunsenbrenner um 10°C erwärmt. Markiere alle zutreffenden Aussagen.

Lösungsvorschläge

Lösung

Richtig sind die Aussagen 2, 3 und 4. Die Volumenausdehnung einer Flüssigkeit hängt von ihrem Volumenausdehnungskoeffizienten \(\gamma\) ab. Da dieser sich bei verschiedenen Flüssigkeiten unterscheidet, steigen verschiedene Flüssigkeiten im Experiment meist unterschiedlich hoch. Aussage 1 ist daher falsch.