Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Welche allgemeine Zusammenhang besteht zwischen der Temperatur und der Teilchenbewegung eines Stoffes?
  • Weshalb nimmt das Volumen eines Stoffes bei steigender Temperatur in der Regel zu?
  • Was versteht man unter Diffusion?
  • Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die Diffusion?

Die Temperatur

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.

Temperatur, Teilchen-Bewegung, Wärmeausdehnung
Animation: Einfluss der Temperatur auf die Teilchenbewegung und die Wärmeausdehnung

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 einzelnen darin enthaltenen Teilchen!

Animation: Einfluss der Temperatur auf die Teilchenbewegung und die Wärmeausdehnung

Mehr Informationen zum Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Teilchenbewegung speziell für Gase finden sich im Artikel “Kinetische Gastheorie“.

Beachte, dass es sich bei der Teilchenbewegung im Zusammenhang mit der Temperatur stets um eine ungeordnete Bewegung handelt! Die Temperatur des in der oberen Animation abgebildeten Würfels würde sich also nicht erhöhen, wenn man diesen mit hoher Geschwindigkeit bewegen würde und die einzelnen Moleküle damit vermeintlich schneller wären. Dabei handelt es sich nämlich nicht mehr um eine ungeordnete Bewegung der einzelnen Teilchen. Vielmehr wird der ungeordneten Bewegung der Teilchen eine gerichtete Bewegung des Würfels überlagert. Solche gerichtete Bewegungen, die meist von “außen” dem Körper aufgezwungen werden, haben also keinen Einfluss auf die ungeordnete Bewegung der Moleküle im inneren des Stoffes und damit auf die Temperatur.

Die Temperatur ist ein Maß für die “ungeordnete” Bewegungsenergie eines Teilchens in einem Stoff!

Thermische Ausdehnung

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 (siehe hierzu auch die Animationen im Abschnitt zuvor).

Temperatur, Teilchen-Bewegung, Wärmeausdehnung
Abbildung: Einfluss der Temperatur auf die Teilchenbewegung und die Wärmeausdehnung

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.

Mit steigender Temperatur nimmt das Volumen von Stoffen aufgrund des erhöhten Raumbedarfs der Teilchen in der Regel zu!

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 den Artikel Maxwell-Boltzmann-Verteilung.

Zusammenfassung

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

Aggregatzustandfest
Teilchenmodell, Aggregatzustand, Feststoff, Festkörper, fest, Bindung
flüssig
Teilchenmodell, Aggregatzustand, flüssig, Flüssigkeit, Bindung
gasförmig
Teilchenmodell, Aggregatzustand, Gas, gasförmig, Bindung
Temperaturniedrigmittelhoch
Teilchen-
geschwindigkeit
niedrig mittel hoch
Bewegungs-
energie
der Teilchen
niedrig mittel hoch
Raumbedarf *niedrig mittel hoch
Bindungsenergie
der Teilchen
untereinander
hoch mittel niedrig
(ideal: keine)

*) Achtung: Bei manchen Stoffen wie bspw. Wasser tritt in einem bestimmten Temperaturbereich eine sogenannte Anomalie ein, die trotz sinkender Temperatur zu einer Zunahme des Volumens führt. Mehr hierzu im Artikel Anomalie des Wassers.

Brownsche Molekularbewegung & Diffusion

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.

Brownsche Molekular-Bewegung, Temperatur, Tinte, Tintenglas, Wasser, Diffusion
Abbildung: Tintenglas in Wasser zur Demonstration der Brownschen Teilchenbewegung
Animation: Tintenglas in Wasser zur Demonstration der Brownschen Teilchenbewegung

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 Moleküle die dazu führt, dass sich die Wassermoleküle (rot dargestellt) und Tinteteilchen (blau dargestellt) durch Stoßprozesse von selbst durchmischen. Konzentrationsunterschiede werden hiedurch nach und nach ausgeglichen. Ein solches Durchmischen von unterschiedlichen Stoffen wird auch als Diffusion bezeichnet.

Brownsche Molekular-Bewegung, Temperatur, Tinte, Tintenglas, Wasser, Diffusion, Bälle
Animation: Veranschaulichung der Brownschen Teilchenbewegung mit Bällen
Animation: Veranschaulichung der Brownschen Teilchenbewegung mit Bällen

Diffusion bezeichnet die Durchmischung von Stoffen (Konzentrationsausgleich) aufgrund der Brownschen Teilchenbewegung!

Diffusionsvorgänge werden 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 (rot dargestellt) können Fremdteilchen (blau dargestellt) durch die schwingende Struktur hindurch wandern. Die Teilchen werden sozusagen durch den Stoff “gestoßen”.

Diffusion, Brownsche Bewegung, Feststoff, Teilchenmodell
Abbildung: Diffusion in Feststoffen
Animation: Diffusion in Feststoffen

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. Es gilt also auch dabei wieder: Diffusionsprozesse laufen also umso schneller ab, je höher die Temperatur ist!

Diffusionsprozesse sind temperaturgesteuert, d.h. sie laufen umso schneller ab, je höher die Temperatur ist!