Locken Sie Metalle mit Hitze

Ein hitziges Wissenschaftsprojekt von Science Buddies

Schlüssel KonzeptePhysikTemperaturWärmeausdehnungMetalle

Einführung Verpacken Sie gerne Geschenke für Menschen? Vielleicht haben Sie sogar ein Band mit einer Schere gekräuselt (oder jemand anderem dabei zugeschaut). Haben Sie sich jemals gefragt, warum sich das Band wellt, wenn Sie mit einer Scherenklinge an einer Seite daran entlangfahren? Die Antwort ist, dass sich die äußere Schicht des Bandes dehnt und ausdehnt, wenn Sie mit der Scherenklinge Druck auf das Band ausüben. Dadurch ist die Außenschicht des Bandes länger als die Innenschicht, die gegen die Klinge gedrückt wird. Dadurch kräuselt sich das Band, um die unterschiedlichen Längen der einzelnen Lagen auszugleichen. In dieser Aktivität werden Sie auch Materialien dazu bringen, sich zu kräuseln. Für diese Materialien benötigen Sie jedoch keine Schere, sondern Hitze!

Hintergrund Sie wissen oder haben wahrscheinlich gesehen, dass Materialien ihre Form oder ihr Volumen ändern können, wenn sie erhitzt oder abgekühlt werden. Dies gilt für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase, die alle aus Atomen und Molekülen bestehen. Sobald diese Moleküle der Hitze ausgesetzt werden, beginnen sie zu vibrieren und sich schneller zu bewegen. Dadurch breiten sich die Moleküle aus und nehmen mehr Platz ein. Dadurch dehnt sich ein Material bei Erwärmung leicht aus. Wenn ein Material hingegen kalt ist, bewegen sich die Moleküle weniger und nehmen dadurch weniger Platz ein. Daher schrumpfen Materialien, wenn sie kalt werden. Obwohl sich alle Materialien bei Erwärmung ausdehnen, dehnen sich nicht alle im gleichen Maße aus. Wie stark sich ein Material bei Erwärmung ausdehnt, wird durch seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten beschrieben. Beispielsweise dehnt sich Aluminium um 21 bis 24 Mikrometer pro Meter aus, wenn man seine Temperatur um 1 Grad Celsius erhöht.

Was passiert, wenn ein Objekt aus mehr als einem Material besteht? Beim Erhitzen dehnen sich beide unterschiedlich aus! Tatsächlich gibt es spezielle Materialien, sogenannte Bimetalle, die sich ihre unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften zunutze machen. Ein Bimetall ist ein Objekt, das aus zwei getrennten Schichten unterschiedlicher Metalle besteht, die in einem Sandwich angeordnet sind. Wenn ein Bimetall erhitzt wird, dehnt sich eines der Metalle stärker aus als das andere. Dies führt dazu, dass sich das Bimetall in eine Richtung krümmt (oder kräuselt) – genau wie das Band für die Geschenkverpackung. Aufgrund dieses Effekts werden Bimetalle häufig zur Anzeige von Temperaturänderungen verwendet, beispielsweise in Zeigerthermometern (wie sie beispielsweise in Öfen oder Kühlschränken verwendet werden). Im Inneren dieser Thermometer ist eine Bimetallspule mit einem Zeiger befestigt. Bei einer Temperaturänderung bewegt sich der Zeiger abhängig vom Ausmaß der Verformung der Bimetallspule.

In dieser Aktivität erfahren Sie selbst, wie unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften dazu führen können, dass sich ein Objekt wellt. Bereit für die Hitze?

Materialien

Vorbereitung

Verfahren

Beobachtungen und Ergebnisse Haben Sie gesehen, wie sich einer Ihrer Streifen über der Kerzenflamme kräuselte? Du solltest haben! Der Vollaluminiumstreifen und der Vollpapierstreifen sollten sich nicht verändert haben, als Sie sie über die Flamme gehalten haben. Dies liegt daran, dass die beiden Schichten des Streifens aus dem gleichen Material bestehen. Wird der Streifen heiß, was man beim Anfassen bemerkt haben sollte, dehnen sich beide Lagen gleich stark aus. Wenn der Streifen jedoch aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, beispielsweise aus Papier und Aluminium, passiert etwas anderes.

Als Sie den Papier-/Aluminiumstreifen über die Flamme hielten, bemerkten Sie wahrscheinlich, dass er sich sofort in eine Richtung zu biegen oder zu kräuseln begann. Es wellt sich nach oben, wenn die Aluminiumschicht zur Kerze zeigt, und nach unten, wenn die Aluminiumschicht zur Decke zeigt. Dies liegt daran, dass sich das Aluminium und die Papierschicht über der Flamme erhitzen. Aufgrund seines höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnt sich Aluminium stärker aus als Papier. Da Papier und Aluminium miteinander verklebt sind, rollt sich das Aluminium vom Papierstreifen weg, um die unterschiedlichen Längen der einzelnen Lagen auszugleichen – wie das wellenförmige Geschenkband! Ähnliche Ergebnisse werden Sie auch bei anderen Streifen sehen, die aus zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

Aufräumen Achten Sie darauf, die Kerze auszublasen. Sie können ungenutztes Papier oder Aluminium recyceln.

Mehr zu entdeckenWie Thermometer funktionieren, von HowStuffWorksA Temperature Measurement Metallic Spiral Strip Metal Thermometer, von Abdelrahman Hamdy und YouTubeThermal Expansion, von The Physics HypertextbookSecret of Ribbon Curling Revealed, von Scientific AmericanSTEM Activities for Kids, von Science Buddies

Diese Aktivität wurde in Zusammenarbeit mit Science Buddies für Sie durchgeführt

Meghan Bartels

Andrea Thompson

Timothy Kundro, Samir Nurmohamed, Hemant Kakkar und Salvatore Affinito | Meinung

Sarah Scoles

Lauren Leffer

Kate Evans