Teilchenbewegung

Wird ein Stoff erwärmt und somit dessen Temperatur mehr und mehr erhöht, so stellt man fest, dass sich die darin enthaltenen Teilchen immer schneller bewegen - sei es die relativ freie Bewegung der Teilchen in Gasen oder die Schwingung der Teilchen um eine Ruhelage in Festkörpern. Die Temperatur eines Stoffes kann deshalb als Maß für die Geschwindigkeit der darin enthaltenen Teilchen angesehen werden. Mit höherer Temperatur und damit größerer Teilchengeschwindigkeit nimmt auch die Bewegungsenergie der Teilchen zu. Es gilt deshalb:

  • Je höher die Temperatur eines Stoffes, desto größer die Bewegungsenergie der darin enthaltenen Teilchen.

Mit steigender Temperatur ist aufgrund der Erhöhung der Teilchengeschwindigkeit in der Regel auch ein entsprechend erhöhter Platzbedarf der Teilchen verbunden. Dies führt dazu, dass sich Stoffe bei Temperaturerhöhungen im Allgemeinen ausdehnen. Umgekehrt bedeutet dies, dass sich ein Stoff bei Abkühlung im Allgemeinen zusammenzieht. Mit dem damit gesunkenen Volumenbedarf ist eine entsprechende Zunahme der Stoffdichte verbunden (Achtung: Anomalie des Wassers). 

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Animation: Thermische Ausdehung

Das Phänomen, dass sich Stoffe bei Erwärmung im Allgemeinen ausdehnen, bezeichnet man auch als Wärmeausdehnung oder thermische Ausdehnung. Dieser Effekt wird zum Beispiel in Flüssigkeitsthermometern dazu genutzt um Temperaturen zu messen. Auf solche Temperaturmessungen wird in den nächsten Abschnitten näher eingegangen.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Eigenschaften der Teilchen in den verschiedenen Aggregatzuständen nochmals zusammengefasst.

Aggregatzustand 

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fest

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flüssig

Aggregatzustand, Temperatur, fest, Feststoff, Festkörper, Aufbau, Teilchenmodell

gasförmig

Temperatur niedrig mittel hoch
Teilchengeschwindigkeit niedrig mittel hoch
Bewegungsenergie der Teilchen niedrig mittel hoch
Raumbedarf * niedrig mittel hoch
Bindungsenergie der Teilchen untereinander hoch mittel niedrig (ideal: keine)
 *) Ausnahme: bspw. Wasser   

Tabelle: Zusammenfassung der Aggregatzustände

Beachte, dass es sich bei der Größe Temperatur letztlich um eine makroskopische Größe handelt (d.h. makroskopisch messbar ist), während die Teilchengeschwindigkeit nur im mikroskopischen Maßstab betrachtet werden kann. Dennoch lassen sich beide Größen miteinander verknüpfen! Siehe hierzu auch den Abschnitt Maxwell-Boltzmann-Verteilung.

Da sich jedem Stoff eine bestimmte Temperatur zuordnen lässt, sind auch die darin enthaltenen Teilchen offensichtlich in ständiger Bewegung. Diese der Temperatur geschuldeten (ungeordneten) Wärmebewegung bezeichnet man auch als Brown'sche Molekularbewegung. Die Brownsche Molekularbewegung kann indirekt beobachten, wenn man ein offenes Glas mit Tinte vorsichtig in ein Wasserbad stellt (siehe Animation unten). 

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Animation: Brownsche Molekularbewegung

Auch wenn sich das Wasser und die Tinte makroskopisch betrachtet völlig in Ruhe befinden, wird man nach einiger Zeit ein Durchmischen des Wassers mit der Tinte feststellen. Grund hierfür ist die Wärmebewegung der Teilchen die dazu führt, dass sich die Wasserteilchen (blau dargestellt) und Tinteteilchen (rot dargestellt) durch ihre Bewegung von selbst durchmischen. Das Durchmischen wird dabei umso schneller erfolgen, je höher die Temperatur ist. Denn je größer die Temperatur umso stärker die Teilchenbewegung und damit der Mischvorgang.

Auf die ähnliche Weise wie sich die Durchmischung von unterschiedlichen Gasen oder Flüssigkeiten auf die Brownsche Molekularbewegung zurückzuführen ist, lässt sich auch in Feststoffen ein Wandern von Teilchen beobachten. Zwar sind die Stoffteilchen in Festkörpern durch die elektrostatischen Anziehungskräfte in der Regel an einen bestimmten Ort gebunden, sie führen aber je nach Temperatur mehr oder wenig starke Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage aus. Aufgrund dieser Schwingungen der Stoffteilchen (blau dargestellt) können Fremdteilchen (rot dargestellt) durch die schwingende Struktur hindurch wandern. Die Teilchen werden sozusagen durch den Stoff "gepresst". Im Gegensatz zur Brownschen Molekularbewegung bei Flüssigkeiten oder Gasen spricht man bei Feststoffen von Diffusion.

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Animation: Diffusion

Mit höherer Temperatur nehmen die Gitterschwingungen zu und damit werden auch die Abstände zwischen den schwingenden Stoffteilchen größer. Hierdurch können diffundierende Teilchen besser durch die Gitterstruktur wandern. Diffusionsprozesse laufen also umso schneller ab, je höher die Temperatur ist!

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