Die Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf das Volumen einer Substanz ist eine der wichtigsten Aufgaben in Physik und Chemie. Die Antwort auf die gestellte Frage kann nicht offensichtlich sein, da sich das Volumen der Substanz bei Temperaturänderungen ändern kann. Dies ist auf eine Änderung des mittleren intermolekularen Abstands und damit auf eine Änderung der Materialdichte zurückzuführen. Betrachten wir, wie viel Wasser in einem Gefäß bei einer Temperatur von 20 Grad sein wird, wenn es ursprünglich 3 Liter enthielt.
Um dieses Problem zu lösen, müssen wir die thermische Ausdehnung des Wassers berücksichtigen. Das Wasser dehnt sich beim Erhitzen aus und schrumpft beim Abkühlen zusammen. Die Größe der thermischen Ausdehnung hängt vom linearen Ausdehnungskoeffizienten des Wassers und der Temperaturänderung ab. Bei dieser Aufgabe wird davon ausgegangen, dass normales Wasser unter normalem Druck und normalen Bedingungen verwendet wird.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Wassers beträgt etwa 0,0002 Grad Celsius. Wenn also die Temperatur um 1 Grad Celsius ansteigt, steigt das Wasservolumen um 0,02% an. Wir berechnen die Änderung des Wasservolumens, wenn die Temperatur um 20 Grad Celsius ansteigt.
Wassermenge = Anfangswassermenge + (Anfangswassermenge * linearer Ausdehnungskoeffizient * Temperaturänderung)
Einfluss der Temperatur auf das Wasservolumen im Gefäß
Betrachten wir ein konkretes Beispiel. Angenommen, das Gefäß enthält zunächst 3 Liter Wasser bei einer Raumtemperatur von 20 Grad Celsius.
Wenn das Wasser erhitzt wird, nimmt sein Volumen zu. Dies ist auf eine Zunahme der mittleren Länge der Bindungen zwischen Wassermolekülen zurückzuführen. Wenn die Temperatur um 1 Grad Celsius ansteigt, steigt das Wasservolumen daher um einen bestimmten Wert an.
Wenn wir wissen, dass Wasser sein Volumen für jeden Grad Celsius um 0,034 Prozent erhöht, können wir die Volumenänderung berechnen, wenn sich die Temperatur ändert.
Bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius beträgt das Wasservolumen im Behälter also 3 Liter (das ursprüngliche Volumen).
| Temperatur (°C) | Volumenänderung (Liter) | Wassermenge (Liter) |
|---|---|---|
| 20 | 0 | 3 |
Somit wird das Gefäß bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius 3 Liter Wasser enthalten.
Ursprüngliches Wasservolumen
Bei einer Temperatur von 20 Grad beträgt das anfängliche Wasservolumen im Behälter 3 Liter.
Dies bedeutet, dass das Gefäß unter den ursprünglichen Bedingungen 3 Liter Wasser enthält.
Das anfängliche Wasservolumen ist ein wichtiger Parameter, wenn weitere Systemänderungen berücksichtigt werden. Später, wenn sich die Temperatur ändert, kann sich das Wasservolumen im Behälter ändern.
Expositionstemperatur
Wenn das Gefäß ursprünglich 3 Liter Wasser bei einer Temperatur von 20 Grad enthielt, ändert sich auch das Wasservolumen, wenn sich die Temperatur ändert. Wenn die Lufttemperatur ansteigt, wird das Wasservolumen zunehmen, und wenn die Lufttemperatur abnimmt, wird das Wasservolumen abnehmen.
Das Yoshimura-Gay-Lussak-Gesetz kann verwendet werden, um das Wasservolumen bei unterschiedlichen Temperaturen zu bestimmen. Es besagt, dass bei konstantem Druck (z. B. atmosphärischem) das Verhältnis der Volumenänderung einer Substanz zum Ausgangsvolumen proportional zur Temperaturänderung ist:
V2 = V1 * (1 + α * (T2 - T1)),
wobei V2 das Volumen nach der Temperaturänderung ist, V1 das Ausgangsvolumen ist, α der lineare Ausdehnungskoeffizient ist, T2 die neue Temperatur ist, T1 die ursprüngliche Temperatur ist.
Um also herauszufinden, wie viel Wasser sich bei einer Temperatur von 20 Grad in einem Gefäß befindet, müssen Sie den Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten für das Wasser und die neue Temperatur kennen, bei der die Messung durchgeführt wird. Nur unter Berücksichtigung dieser Parameter ist es möglich, das Wasservolumen bei dieser Temperatur zu bestimmen.
Thermodynamische Gesetze
Das erste Gesetz der Thermodynamik, auch bekannt als das Gesetz zur Erhaltung der Energie, besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern nur von einer Form zur anderen übergehen kann. Dieses Gesetz erlaubt es, die Veränderung der inneren Energie des Systems bei einer gegebenen thermischen Einwirkung zu beurteilen.
Das zweite Gesetz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems immer dazu neigt, sich zu vergrößern oder konstant zu bleiben. Dies bedeutet, dass in einem isolierten System alle Prozesse in einer Richtung ablaufen, die zum Gleichgewicht führt und das Chaos in ihm erhöht. Das Gesetz legt auch fest, dass es nicht möglich ist, den absoluten Nullpunkt der Temperatur zu erreichen.
Das dritte Gesetz der Thermodynamik bezieht sich auf das Verhalten von absolut reinen kristallinen Substanzen, wenn sie sich dem absoluten Nullpunkt der Temperatur nähern. Er behauptet, dass der absolute Nullpunkt der Temperatur unerreichbar ist und dass die Entropie des Kristalls bei dieser Temperatur Null ist.
Temperaturausdehnungskoeffizient
Der Temperaturausdehnungskoeffizient kann positiv oder negativ sein. Ein positiver α-Wert bedeutet, dass sich der Körper bei steigender Temperatur ausdehnt, während ein negativer α-Wert darauf hinweist, dass sich der Körper bei steigender Temperatur verdichtet.
Der Temperaturausdehnungskoeffizient von Wasser ist ungefähr gleich 0,0002 Grad Celsius, zusammen mit einem Kubikzentimeter pro Grad Celsius (0,0002 ℃ -1 cm -3 ). Dies bedeutet, dass sich das Wasservolumen um 0,0002 Kubikzentimeter ändert, wenn sich die Temperatur um 1 Grad Celsius ändert.
Wenn also die Temperatur eines Gefäßes mit 3 Litern Wasser um 20 Grad Celsius ansteigt, wird das Wasservolumen entsprechend dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Wassers erhöht.
Berechnung der Wasservolumenänderung
Um die Änderung des Wasservolumens in einem Behälter zu berechnen, muss die Temperatur des Behälters berücksichtigt werden. Wenn die Temperatur steigt oder sinkt, kann sich das Wasservolumen ändern.
In diesem Fall enthielt das Gefäß zunächst 3 Liter Wasser.Bei einer Temperatur von 20 Grad kann sich das Wasservolumen aufgrund der Temperaturausdehnung oder Kompression des Wassers ändern.
Wenn man bedenkt, dass Wasser einen Temperaturkoeffizienten für die Volumenausdehnung aufweist, kann man die Änderung des Wasservolumens berechnen. Um dies zu tun, müssen Sie das anfängliche Wasservolumen, die Temperatur und den Temperaturkoeffizienten der Volumenausdehnung kennen.
Nehmen wir an, dass der Temperaturkoeffizient der volumetrischen Ausdehnung von Wasser 0.00021 (1 / Grad Celsius) beträgt. Sie können die Formel verwenden, um die Änderung des Wasservolumens zu berechnen:
ΔV = V0 * α * ΔT
ΔV - ändern des Wasservolumens
V0 - anfangsvolumen von Wasser
α - Temperaturkoeffizient der volumetrischen Ausdehnung
ΔT - Temperaturänderung
Wenn wir die Werte ersetzen, erhalten wir:
ΔV = 3 * 0.00021 * (20 - 0)
ΔV = 0,0126 Liter
Somit wird bei einer Temperatur von 20 Grad das Wasservolumen im Behälter auf 0.0126 Liter geändert.
Ergebnis
Bei einer Temperatur von 20 Grad und einem anfänglichen Inhalt von 3 Litern Wasser bleibt die Wassermenge im Gefäß unverändert. Die Temperatur hat keinen Einfluss auf das Wasservolumen, so dass es nach dem Erhitzen 3 Liter bleibt.
