In diesem Experiment wird die Wärmeausdehnung von Gasen veranschaulicht. Eine Glasflasche wird zunächst in eine kalte Umgebung gestellt, wodurch sich die Luft im Inneren abkühlt. Anschließend wird die Flasche in einen wärmeren Raum gebracht und mit den Händen erwärmt. Eine nasse Münze, die die Flaschenöffnung verschließt, beginnt aufgrund des Temperaturanstiegs zu klappern. Dieses Experiment zeigt, dass Gase ihr Volumen mit steigender Temperatur ausdehnen und dabei einen Druckanstieg verursachen.

Null-Hypothese: Es gibt keine messbare Veränderung des Verhaltens der Münze, wenn die Glasflasche von außen erwärmt wird.

1. Einleitung

Die thermische Expansion1[Die Ausdehnung eines Stoffes (fest, flüssig oder gasförmig) aufgrund einer Temperaturerhöhung.] von Gasen ist ein fundamentales Prinzip der Thermodynamik2[Ein Zweig der Physik, der sich mit den Wechselwirkungen zwischen Wärme, Arbeit und Energie befasst. Sie untersucht die Gesetzmäßigkeiten, nach denen Energie in verschiedenen Formen übertragen und umgewandelt werden kann, sowie die Bedingungen, unter denen diese Prozesse stattfinden]. Die Bewegung von Gasmolekülen hängt direkt von der Temperatur ab: Bei Erwärmung nehmen die Moleküle kinetische Energie3[Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt] auf, bewegen sich schneller und üben einen höheren Druck auf die Begrenzungen des Gasvolumens aus. Dieses Prinzip spielt in vielen technischen und natürlichen Prozessen eine wichtige Rolle, etwa in der Meteorologie oder in der Konstruktion von Druckbehältern.

In diesem Experiment wird die thermische Expansion von Luft demonstriert, indem eine abgekühlte Glasflasche erwärmt wird und der resultierende Druckanstieg die aufliegende Münze in Bewegung setzt.

2. Material und Methoden

Materialien:

  • Eine leere Glasflasche (Volumen: ca. 0,5 Liter)
  • Eine nasse 50-Euro-Cent-Münze
  • Thermometer (optional, zur Messung der Temperatur)

Versuchsdurchführung:

  1. Die Glasflasche wird für mehrere Stunden in eine kalte Umgebung mit einer Temperatur von z.B. 1 °C gestellt.
  2. Nachdem die Luft in der Flasche abgekühlt ist, wird die Flasche in einen Raum mit einer Temperatur von etwa 20 °C gebracht.
  3. Eine nasse 50-Euro-Cent-Münze wird auf die Flaschenöffnung gelegt, sodass sie diese vollständig verschließt.
  4. Die Flasche wird mit beiden Händen umfasst und erwärmt.
  5. Während der Erwärmung wird beobachtet, ob sich die Münze bewegt oder Geräusche erzeugt.

3. Ergebnisse

Während die Flasche erwärmt wird, beginnt die Münze nach kurzer Zeit zu klappern. Das Klappern wird intensiver, je länger die Flasche in den Händen gehalten wird. Dies zeigt, dass sich die Luft im Inneren der Flasche ausdehnt und dabei einen Druckanstieg verursacht. Die Münze hebt sich mehrfach kurz an, da die erwärmte Luft entweicht, und fällt dann wieder zurück auf die Öffnung.

Vid. 1: Klappern der Münze

4. Diskussion

Das beobachtete Phänomen lässt sich mit der thermischen Expansion von Gasen erklären. Beim Erwärmen steigt die kinetische Energie der Luftmoleküle, wodurch sich deren Bewegungsgeschwindigkeit erhöht. Dadurch nehmen sowohl das Volumen als auch der Druck des eingeschlossenen Gases zu. Da die Flasche eine feste Form hat, kann sich das Volumen der Luft nicht frei ausdehnen, sodass stattdessen der Druck innerhalb der Flasche ansteigt. Dieser Druck drückt auf die Münze und bewegt sie, wodurch das charakteristische Klappern entsteht.

Die zugrunde liegende physikalische Beziehung wird durch die allgemeine Gasgleichung4[Eine physikalische Formel (PV=nRT), die den Zusammenhang zwischen Druck, Volumen, Temperatur und Stoffmenge eines idealen Gases beschreibt.] beschrieben:

PV = nRT

Da das Volumen der Flasche (V) konstant bleibt und die Anzahl der Moleküle (n) sich nicht ändert, ist der Druck (P) direkt proportional zur Temperatur (T). Mithilfe des Gesetzes von Gay-Lussac5[Ein Gasgesetz, das besagt, dass der Druck eines Gases bei konstantem Volumen direkt proportional zur Temperatur ist.] kann die relative Druckänderung berechnet werden:

P_2/P_1=T_2/T_1

Setzt man die Werte ein:

  • Anfangstemperatur: T1 = 1 °C = 274,15  K
  • Endtemperatur: T2=20 °C = 293,15 K

P_2/P_1=293.15/274.15 approx 1.069

Das bedeutet, dass der Druck innerhalb der Flasche um etwa 6,9 % ansteigt. Da die Münze nicht fest mit der Flasche verbunden ist, reicht dieser Druck aus, um sie anzuheben und ein Klappern zu erzeugen.

Wenn die Flasche nicht geschlossen wäre, würde sich das Gas bei Erwärmung ausdehnen. Die Volumenänderung kann durch die thermische Expansionsformel berechnet werden:

V_2=V_1*{T_2/T_1}

Angenommen, die Luft könnte sich frei ausdehnen, dann ergäbe sich bei einer Flasche mit 0,5 Litern Volumen:

V_2=0.5l*{293.15/274.15} approx 0.534

Das bedeutet, dass sich das Luftvolumen um etwa 34 ml vergrößert hätte, wenn es nicht eingeschlossen wäre. Da die Flasche jedoch geschlossen ist, bleibt das Volumen konstant, und stattdessen steigt der Druck.

Dieses Experiment zeigt eindrucksvoll, wie Temperaturveränderungen das Verhalten von Gasen beeinflussen. Der Effekt ist mit dem Prinzip von Heißluftballons vergleichbar, bei denen erhitzte Luft sich ausdehnt und aufsteigt. Auch in geschlossenen Systemen, wie Druckbehältern oder Reifen, spielt die thermische Expansion eine wichtige Rolle und muss berücksichtigt werden.




  • 1
    [Die Ausdehnung eines Stoffes (fest, flüssig oder gasförmig) aufgrund einer Temperaturerhöhung.]
  • 2
    [Ein Zweig der Physik, der sich mit den Wechselwirkungen zwischen Wärme, Arbeit und Energie befasst. Sie untersucht die Gesetzmäßigkeiten, nach denen Energie in verschiedenen Formen übertragen und umgewandelt werden kann, sowie die Bedingungen, unter denen diese Prozesse stattfinden]
  • 3
    [Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt]
  • 4
    [Eine physikalische Formel (PV=nRT), die den Zusammenhang zwischen Druck, Volumen, Temperatur und Stoffmenge eines idealen Gases beschreibt.]
  • 5
    [Ein Gasgesetz, das besagt, dass der Druck eines Gases bei konstantem Volumen direkt proportional zur Temperatur ist.]