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Schmelzen und Erstarren - Physik

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Schmelzen und Erstarren - Physik




Einleitung

Schmelzen und Erstarren sind entgegengesetzte Phasenübergänge. Beim Schmelzen wird ein fester Stoff flüssig. Beim Erstarren wird eine Flüssigkeit fest. Beide Vorgänge gehören zur Wärmelehre und lassen sich mit dem Teilchenmodell und der Übertragung von Energie erklären.

An einem schmelzenden Eiswürfel kannst Du beobachten, dass ein Stoff gleichzeitig fest und flüssig vorliegen kann. Während des eigentlichen Phasenübergangs bleibt die Temperatur eines reinen Stoffes bei konstantem Druck gleich, obwohl Energie übertragen wird.

Fach Physik
Zielgruppe Schule, etwa Klassen 7 bis 10
Themenbereich Wärmelehre, Aggregatzustände, Energie
Leitfrage Warum ändert sich beim Schmelzen oder Erstarren der Aggregatzustand, obwohl die Temperatur zeitweise konstant bleibt?


Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

  1. Schmelzen und Erstarren als entgegengesetzte Phasenübergänge beschreiben.
  2. die Vorgänge mit dem Teilchenmodell erklären.
  3. Schmelzpunkt und Erstarrungspunkt unterscheiden und vergleichen.
  4. erklären, warum die Temperatur während eines Phasenübergangs konstant bleiben kann.
  5. die benötigte Schmelzenergie mit einer einfachen Formel berechnen.
  6. Beispiele aus Alltag, Natur und Technik physikalisch deuten.


Aggregatzustände und Phasenübergänge

Stoffe können unter geeigneten Bedingungen fest, flüssig oder gasförmig sein. Diese Zustände heißen Aggregatzustände. Eine Änderung des Aggregatzustands ist eine physikalische Veränderung: Der Stoff bleibt chemisch derselbe.

Beim Übergang zwischen fest und flüssig gelten zwei Richtungen:

  1. Schmelzen: fest → flüssig
  2. Erstarren: flüssig → fest

Bei Wasser heißen die Zustände zum Beispiel Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf. Beim Schmelzen von Eis entstehen keine neuen Stoffteilchen. Die Wassermoleküle werden lediglich beweglicher und verändern ihre Anordnung.


Schmelzen

Beim Schmelzen nimmt ein fester Stoff Energie aus seiner Umgebung auf. Seine Teilchen schwingen zunächst stärker. Am Schmelzpunkt wird die regelmäßige feste Anordnung teilweise aufgelöst. Die Teilchen können sich nun gegeneinander verschieben: Der Stoff wird flüssig.

Beispiele für Schmelzen:

  1. Eis wird zu Wasser.
  2. Kerzenwachs wird in der Nähe einer Flamme flüssig.
  3. Metalle werden in einem Schmelzofen verflüssigt.
  4. Butter oder Schokolade werden bei Wärme weich und flüssig.

Merksatz: Beim Schmelzen wird Energie aufgenommen. Der Stoff wechselt vom festen in den flüssigen Zustand.


Erstarren

Beim Erstarren gibt eine Flüssigkeit Energie an ihre Umgebung ab. Die Bewegung der Teilchen wird geringer. Bei vielen Stoffen ordnen sich die Teilchen zu einem Kristallgitter.

Beispiele für Erstarren:

  1. Wasser gefriert zu Eis.
  2. Flüssiges Kerzenwachs wird wieder fest.
  3. Geschmolzenes Metall erstarrt in einer Gussform.
  4. Lava kühlt ab und bildet festes Gestein.

Merksatz: Beim Erstarren wird Energie abgegeben. Der Stoff wechselt vom flüssigen in den festen Zustand.


Erklärung mit dem Teilchenmodell

Im Teilchenmodell bestehen Stoffe aus kleinsten Teilchen.

  1. Im festen Zustand besitzen die Teilchen feste Plätze und schwingen um diese Plätze.
  2. Im flüssigen Zustand liegen die Teilchen weiterhin dicht beieinander, können sich aber gegeneinander bewegen.
  3. Beim Schmelzen wird ein Teil der zugeführten Energie benötigt, um die Bindungen und Anziehungskräfte in der festen Struktur zu lockern.
  4. Beim Erstarren entsteht wieder eine geordnetere Struktur. Dabei wird Energie frei.

Die Temperatur ist ein Maß für die ungeordnete Bewegung der Teilchen. Während des Phasenübergangs wird die übertragene Energie vor allem für die Änderung der Teilchenanordnung genutzt. Deshalb steigt oder sinkt die Temperatur in dieser Zeit nicht weiter.


Schmelzpunkt und Erstarrungspunkt

Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein fester Reinstoff bei einem bestimmten Druck flüssig wird. Der Erstarrungspunkt ist die Temperatur, bei der die Flüssigkeit wieder fest wird.

Für einen reinen Stoff sind Schmelzpunkt und Erstarrungspunkt bei gleichem Druck gleich. Wasser schmilzt und erstarrt bei normalem Luftdruck ungefähr bei 0 °C.

Bei Stoffgemischen kann der Übergang über einen Temperaturbereich erfolgen. Glas, viele Kunststoffe und Legierungen zeigen deshalb oft keinen einzigen scharfen Schmelzpunkt.


Temperaturverlauf beim Erwärmen

Wird Eis mit einer Temperatur unter 0 °C erwärmt, steigt seine Temperatur zunächst. Bei ungefähr 0 °C beginnt das Eis zu schmelzen. Solange Eis und Wasser gleichzeitig vorhanden sind, bleibt die Temperatur nahezu konstant. Erst wenn das gesamte Eis geschmolzen ist, erwärmt sich das flüssige Wasser weiter.

Der waagerechte Abschnitt einer Heizkurve heißt Temperaturplateau. Er zeigt, dass Energie zugeführt wird, ohne dass die Temperatur steigt. Diese Energie wird für die Änderung des Aggregatzustands benötigt.


Schmelzenergie und Erstarrungsenergie

Die Energie, die zum Schmelzen eines Stoffes an seinem Schmelzpunkt benötigt wird, heißt Schmelzenergie. Für eine Masse m gilt:

Qs=mqs

Dabei bedeuten:

  1. Qs: Schmelzenergie in Joule
  2. m: Masse in Kilogramm
  3. qs: spezifische Schmelzenthalpie in Joule pro Kilogramm

Für Eis beträgt die spezifische Schmelzenthalpie ungefähr:

qs=334kJ/kg

Beim Erstarren wird betragsmäßig die gleiche Energiemenge wieder abgegeben.


Rechenbeispiel

Wie viel Energie wird benötigt, um 200 g Eis bei 0 °C vollständig zu schmelzen?

Gegeben:

m=200g=0,20kg

qs=334kJ/kg

Rechnung:

Qs=mqs

Qs=0,20kg334kJ/kg=66,8kJ

Ergebnis: Zum Schmelzen werden etwa 66,8 kJ Energie benötigt.


Besonderheiten des Wassers

Wasser zeigt einige ungewöhnliche Eigenschaften. Beim Erstarren bildet sich eine offene Kristallstruktur. Dadurch besitzt Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt.

Der Schmelzpunkt hängt auch vom Druck ab. Bei den meisten Stoffen steigt er bei höherem Druck. Bei Wasser verläuft die Schmelzkurve ungewöhnlich, weil Eis weniger dicht als Wasser ist.

Ein Phasendiagramm zeigt, bei welchen Kombinationen aus Druck und Temperatur ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist. Für die Schule genügt meist die Erkenntnis: Die bekannten 0 °C gelten nur ungefähr bei normalem Luftdruck.


Unterkühlung und Kristallisationskeime

Eine sehr reine Flüssigkeit kann manchmal unter ihren Erstarrungspunkt abgekühlt werden, ohne sofort fest zu werden. Dieser Zustand heißt Unterkühlung.

Für die Kristallbildung wird häufig ein kleiner Ausgangspunkt benötigt. Er heißt Kristallisationskeim. Eine Erschütterung, ein Staubteilchen oder ein vorhandener Kristall kann die Erstarrung plötzlich auslösen.

Bei der plötzlichen Kristallisation wird Erstarrungsenergie frei. Dieses Prinzip wird zum Beispiel bei manchen wiederverwendbaren Handwärmern genutzt.


Salz, Eis und Gefrierpunkt

Gelöstes Salz senkt den Gefrierpunkt von Wasser. Deshalb kann Salzwasser bei Temperaturen unter 0 °C flüssig bleiben. Auf winterlichen Straßen wird Streusalz eingesetzt, damit vorhandenes Eis leichter schmilzt und neues Eis erst bei tieferen Temperaturen entsteht.

Das bedeutet nicht, dass Salz Wärme erzeugt. Es verändert die Bedingungen, unter denen flüssiges Wasser und Eis im Gleichgewicht stehen.


Anwendungen in Alltag und Technik

  1. Lebensmittel: Beim Gefrieren wird Wasser in Lebensmitteln fest. Langsames Gefrieren kann große Eiskristalle erzeugen.
  2. Metallguss: Flüssiges Metall wird in eine Form gegossen und erstarrt dort.
  3. Latentwärmespeicher: Beim Schmelzen wird Energie gespeichert, beim Erstarren wieder abgegeben.
  4. Handwärmer: Eine unterkühlte Flüssigkeit kristallisiert und setzt Energie frei.
  5. Straßenverkehr: Salz senkt den Gefrierpunkt von Wasser.
  6. Natur: Seen gefrieren von der Oberfläche her, weil Eis auf Wasser schwimmt.


Einfaches Schulexperiment

Fragestellung: Wie verändert sich die Temperatur von Eis beim Erwärmen?

Material: Eiswürfel, Becherglas, Thermometer, Stoppuhr, Wärmequelle, Schutzbrille.

Durchführung:

  1. Gib zerstoßenes Eis in ein Becherglas.
  2. Miss die Temperatur in regelmäßigen Abständen.
  3. Erwärme das Eis vorsichtig.
  4. Notiere Temperatur und Zeit.
  5. Beobachte, wann festes Eis und flüssiges Wasser gleichzeitig vorliegen.
  6. Zeichne ein Zeit-Temperatur-Diagramm.

Erwartung: Während des Schmelzens bleibt die Temperatur in der Nähe von 0 °C, obwohl weiter Energie zugeführt wird.

Sicherheit: Arbeite mit heißen Geräten und Glasgefäßen nur unter Aufsicht einer Lehrkraft. Trage eine Schutzbrille und berühre die Wärmequelle nicht.


Zusammenfassung

  1. Schmelzen ist der Übergang von fest zu flüssig.
  2. Erstarren ist der Übergang von flüssig zu fest.
  3. Beim Schmelzen wird Energie aufgenommen.
  4. Beim Erstarren wird Energie abgegeben.
  5. Während des Phasenübergangs bleibt die Temperatur eines Reinstoffs bei konstantem Druck gleich.
  6. Schmelzpunkt und Erstarrungspunkt sind bei reinen Stoffen gleich.
  7. Die Schmelzenergie lässt sich mit Qs=mqs berechnen.
  8. Unterkühlung zeigt, dass eine Flüssigkeit auch unterhalb ihres Erstarrungspunktes flüssig bleiben kann.


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Übergang wird Schmelzen genannt? (Vom festen in den flüssigen Zustand) (!Vom flüssigen in den festen Zustand) (!Vom gasförmigen in den flüssigen Zustand) (!Vom festen in den gasförmigen Zustand)




Welcher Übergang wird Erstarren genannt? (Vom flüssigen in den festen Zustand) (!Vom festen in den flüssigen Zustand) (!Vom gasförmigen in den festen Zustand) (!Vom flüssigen in den gasförmigen Zustand)




Was geschieht mit der Temperatur eines reinen Stoffes während des Schmelzens bei konstantem Druck? (Sie bleibt konstant) (!Sie steigt gleichmäßig) (!Sie fällt sofort stark ab) (!Sie verdoppelt sich)




Was geschieht energetisch beim Schmelzen? (Der Stoff nimmt Energie auf) (!Der Stoff gibt nur Energie ab) (!Die Masse verschwindet) (!Es entsteht ein neuer chemischer Stoff)




Was geschieht energetisch beim Erstarren? (Der Stoff gibt Energie ab) (!Der Stoff nimmt immer nur Energie auf) (!Die Energie wird vollständig vernichtet) (!Die Teilchen verlieren ihre Masse)




Welche Formel beschreibt die Schmelzenergie? (Q gleich m mal q) (!Q gleich m geteilt durch Temperatur) (!Q gleich Kraft mal Zeit) (!Q gleich Spannung mal Widerstand)




Wie groß ist die spezifische Schmelzenthalpie von Eis ungefähr? (334 Kilojoule pro Kilogramm) (!34 Kilojoule pro Kilogramm) (!334 Joule pro Gramm und Kelvin) (!1000 Kilojoule pro Grad Celsius)




Wie verhalten sich Schmelzpunkt und Erstarrungspunkt eines Reinstoffs bei gleichem Druck? (Sie sind gleich) (!Der Schmelzpunkt ist immer doppelt so groß) (!Der Erstarrungspunkt liegt immer bei null Grad) (!Sie haben keinen Zusammenhang)




Was ist eine unterkühlte Flüssigkeit? (Eine Flüssigkeit unterhalb ihres Erstarrungspunktes) (!Ein Feststoff oberhalb seines Schmelzpunktes) (!Ein Gas unterhalb seines Siedepunktes) (!Eine Flüssigkeit ohne Teilchen)




Warum wird im Winter Salz auf vereiste Straßen gestreut? (Es senkt den Gefrierpunkt von Wasser) (!Es erhöht die Masse der Eisfläche) (!Es macht Eis chemisch zu Metall) (!Es erhöht den Gefrierpunkt auf hundert Grad)





Memory

Schmelzen Übergang von fest zu flüssig
Erstarren Übergang von flüssig zu fest
Schmelzpunkt Temperatur des Schmelzbeginns
Temperaturplateau Abschnitt mit nahezu konstanter Temperatur
Schmelzenthalpie Energiebedarf für den Phasenübergang
Kristallisationsenergie Beim Erstarren abgegebene Energie
Unterkühlung Flüssigkeit unterhalb des Erstarrungspunktes
Kristallisationskeim Ausgangspunkt der Kristallbildung





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Beschreibung
Schmelzen Feststoff wird zur Flüssigkeit
Erstarren Flüssigkeit wird zum Feststoff
Energieaufnahme Kennzeichen des Schmelzens
Energieabgabe Kennzeichen des Erstarrens
Temperaturplateau Temperatur bleibt beim Phasenübergang gleich






Kreuzworträtsel

Schmelzen Wie heißt der Übergang vom festen zum flüssigen Zustand?
Erstarren Wie heißt der Übergang vom flüssigen zum festen Zustand?
Energie Was wird beim Schmelzen aufgenommen?
Teilchen Woraus bestehen Stoffe im einfachen Modell?
Kristall Welche geordnete Struktur kann beim Erstarren entstehen?
Schmelzpunkt Wie heißt die Temperatur des Übergangs von fest zu flüssig?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.

Beim

wird ein fester Stoff flüssig.
Beim Erstarren wird eine

fest.
Ein Stoff nimmt beim Schmelzen

aus seiner Umgebung auf.
Beim Erstarren wird Energie an die

abgegeben.
Während des Phasenübergangs bleibt die

eines Reinstoffs bei konstantem Druck gleich.
Die Übergangstemperatur von fest zu flüssig heißt

.
Die Schmelzenergie wird mit der Formel Q gleich Masse mal spezifische

berechnet.
Eine Flüssigkeit unterhalb ihres Erstarrungspunktes kann sich im Zustand der

befinden.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Beobachtung von Schmelzvorgängen: Fotografiere oder zeichne drei Beispiele für Schmelzen im Alltag und beschrifte die Energieübertragung.
  2. Teilchenbild: Zeichne ein Teilchenmodell für einen festen und einen flüssigen Stoff.
  3. Begriffskarte: Gestalte eine Karte mit den Begriffen Schmelzen, Erstarren, Schmelzpunkt und Energie.
  4. Eiswürfel-Protokoll: Beobachte einen Eiswürfel bei Raumtemperatur und notiere Veränderungen in regelmäßigen Zeitabständen.


Standard

  1. Heizkurve: Führe unter Aufsicht ein Experiment mit Eis durch und zeichne ein Zeit-Temperatur-Diagramm.
  2. Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das das Temperaturplateau mit dem Teilchenmodell erklärt.
  3. Stoffvergleich: Recherchiere die Schmelzpunkte von fünf Stoffen und erkläre Unterschiede.
  4. Salz und Eis: Plane einen Versuch zum Einfluss von Salz auf Eis und formuliere eine überprüfbare Hypothese.


Schwer

  1. Energieberechnung: Berechne die Energie zum Schmelzen verschiedener Eismassen und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
  2. Latentwärmespeicher: Entwickle ein Modell, das zeigt, wie beim Schmelzen Energie gespeichert und beim Erstarren abgegeben wird.
  3. Unterkühlung: Erkläre die Rolle von Kristallisationskeimen und bewerte mögliche Fehler bei einem Experiment mit unterkühltem Wasser.
  4. Metallguss: Untersuche, warum kontrolliertes Erstarren für die Qualität eines Gussteils wichtig ist, und präsentiere Deine Ergebnisse.




Text bearbeiten Bild einfügen Video einbetten Interaktive Aufgaben erstellen



Lernkontrolle

  1. Phasenübergang erklären: Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum Energie zugeführt werden kann, ohne dass die Temperatur steigt.
  2. Heizkurve auswerten: Analysiere eine unbekannte Heizkurve und begründe, welcher Abschnitt zum Schmelzen gehört.
  3. Alltagssituation beurteilen: Ein Eiswürfel kühlt ein Getränk. Erkläre, warum das Schmelzen stärker kühlt als eine bloße Temperaturerhöhung des Eises.
  4. Versuchsplanung: Entwirf einen Versuch, mit dem Du die Schmelztemperatur eines geeigneten Stoffes bestimmen kannst.
  5. Fehlvorstellung prüfen: Beurteile die Aussage „Beim Erstarren verschwindet Wärme“ und verbessere sie fachlich.
  6. Transfer auf Technik: Erkläre, wie ein Latentwärmespeicher Schmelzen und Erstarren technisch nutzt.


Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du:

  1. Schmelzen und Erstarren korrekt definieren.
  2. Energieaufnahme und Energieabgabe unterscheiden.
  3. ein Teilchenmodell für beide Zustände darstellen und erläutern.
  4. das Temperaturplateau einer Heiz- oder Abkühlkurve erklären.
  5. die Formel Qs=mqs anwenden.
  6. Einheiten sicher umrechnen.
  7. Unterkühlung und Kristallisationskeime verständlich beschreiben.
  8. eine Alltags- oder Technikanwendung physikalisch begründen.
  9. Versuchsergebnisse auswerten und mögliche Fehlerquellen benennen.




OERs zum Thema

  1. LEIFIphysik: Spezifische Schmelz- und Verdampfungswärme
  2. Wikimedia Commons: Medien zum Schmelzen
  3. Wikimedia Commons: Medien zum Erstarren



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