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Grundwissen

BROWNsche Bewegung und Innere Energie

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Atome eines Körpers sind auch ohne Krafteinwirkung von außen immer in Bewegung.
  • Einen Festkörper kannst du dir als Feder-Kugel-Modell vorstellen.
  • Die Summe aller kinetischen und potentiellen Energien der Atome eines Körpers wird als innere Energie bezeichnet.
Aufgaben Aufgaben

Brownsche Bewegung

Bei der Untersuchung von Blütenpollen in einem Flüssigkeitsbad mithilfe eines Mikroskops stellte Robert Brown 1827 fest, dass sich die Pollen auch nach langer Zeit noch regellos in der Flüssigkeit bewegten. Er schloss daraus, dass die Blütenpollen ständig mit im Mikroskop nicht sichtbaren Atomen oder Molekülen (Teilchen, die aus mehreren Atomen bestehen) stoßen müssen. Diese Atome oder Moleküle bewegen sich also ständig ohne das eine äußere Kraft dafür notwendig ist. Diese Bewegung nennt man Brownsche Bewegung.

Die kleinen im Mikroskop sichtbaren
Kriställchen werden von Molekülen der
Flüssigkeit gestoßen.

Erwärmst du nun die Flüssigkeit bzw. das Gas in dem sich die mikroskopisch sichtbaren Teilchen bewegen, so wird die Bewegung der Teilchen heftiger. Hieraus kannst du schließen, dass beim Erwärmen, also bei einer Temperaturerhöhung auch die Bewegung der Atome bzw. Moleküle heftiger wird.

Abb. 2 Teilchenbewegung innerhalb eines Festkörpers im sogenannten Feder-Kugel-Modell: Die Kugeln repräsentieren die Atome, die Federn die Kräfte zwischen ihnen

Teilchenbewegung im Festkörper

Überträgst du die Erkenntnis der sich ständig bewegenden Atome auf einen Festkörper, so stellt sich die Frage, warum dieser dennoch eine feste Form besitzt. Dies kannst du durch starke Kräfte zwischen den einzelnen Teilchen erklären. Besonders anschaulich wird dies im sog. Feder-Kugel-Modell. Im Modell sind die Kräfte zwischen den Atomen durch Federn dargestellt. Diese Federn gibt es in Realität natürlich nicht.

Im Modell können die Teilchen eines Festkörpers so um ihre sog. Ruhelage schwingen, wie es nach den Erkenntnissen zur Brownschen Bewegung zu erwarten ist. Da die Atome aber völlig regellos schwingen, bewegt sich dabei nicht der Festkörper als Ganzes in eine Richtung. Auch kann im Modell, wie beim realen Festkörper, kein Platzwechsel der Atome untereinander stattfinden.
Erwärmst du den Festkörper, so schwingen die Atome im Modell, genau wie bei den Beobachtungen zur Brownschen Bewegung, stärker um ihre Ruhelage.

Innere Energie

Da die Atome ständig in Bewegung sind, besitzt jedes Atom eine bestimmte kinetische Energie.
Neben dieser "mikroskopischen" kinetischen Energie besitzen die Atome im Festkörper aber auch noch potentielle Energie (Energie der Lage). Diese kannst du im Modell symbolisch an den gedehnten oder gestauchten Federn erkennen. Die Summe der kinetischer Energie aller Teilchen und der potentiellen Energie aller Teilchen wird als innere Energie des Körpers bezeichnet.

Mithilfe dieser Größe kannst du später Vorgänge wie das Erwärmen eines Körpers mathematisch beschreiben. Auch kannst du das Konzept der inneren Energie auf Flüssigkeiten und Gase übertragen.

Merke

Die Summe der kinetischer Energie aller Teilchen und der potentiellen Energie aller Teilchen eines Körpers wird als innere Energie des Körpers bezeichnet.

Größe der Teilchen

Die einzelnen Atome bzw. Moleküle eines Stoffes sind so klein, dass du sie unter dem Mikroskop nicht sehen kannst. Dennoch gibt es mit dem sog. Ölfleckversuch eine gut nachvollziehbare Möglichkeit, die Größe von Atomen relativ gut abzuschätzen. Den entsprechenden Versuch mit weiteren Infos findest du hier.