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Schmelzen und Erstarren

Erfahre die Grundlagen des Schmelzens und Erstarrens. Was verbirgt sich hinter Schmelztemperatur und Schmelzwärme? Sieh dir an, wie ein $Q$-$\theta$-Diagramm funktioniert und wie Obstbauern es zur Frostverhinderung nutzen. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Video!

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Die Autor*innen
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Jochen Kalt
Schmelzen und Erstarren
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Schmelzen und Erstarren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schmelzen und Erstarren kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die gezeigten Aggregatszustände.

    Tipps

    Wo können sich die Teilchen eines Stoffes freier bewegen: in einer Flüssigkeit oder in einem Festkörper?

    Was schränkt die Bewegung der Teilchen in einem Stoff ein?

    Lösung

    Feste Stoffe sind sehr geordnet. Starke Anziehungskräfte zwischen den Teilchen halten diese an einer bestimmten Stelle. Darum kann man diesen Aggregatzustand mit gitterförmigen Linien wie in der oberen Abbildung symbolisieren.

    Flüssige Stoffe unterliegen keiner starren Ordnung mehr. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind zwar geringer, halten diese jedoch in einem bestimmten Raumbereich fest.

  • Benenne wichtige Fakten zum Schmelzen und Erstarren von Wasser.

    Tipps

    Schmelzen und Erstarren sind Prozesse, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.

    Der Schmelzpunkt ist auch gleichzeitig der Erstarrungspunkt eines Stoffes.

    Lösung

    Eis, also festes Wasser, schmilzt unter Normaldruck bei einer Schmelztemperatur von 0° C. Zum Schmelzen muss dem Eis Energie zugeführt werden, dann wird das Wasser flüssig.

    Umgekehrt erstarrt flüssiges Wasser bei einer Erstarrungstemperatur von ebenfalls 0° C bei Normaldruck. Dabei setzt das Wasser die zum Schmelzen nötige Energie wieder frei. Wasser, das durch Mischen mit einem anderen Stoff zum Beispiel mit Salz verändert wurde, besitzt einen niedrigeren Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt. Das bedeutet, dass flüssiges Salzwasser erst bei Temperaturen unter 0° C erstarrt.

  • Vergleiche Schmelzwärme und Erstarrungswärme miteinander.

    Tipps

    Verwende hier die physikalischen Fachbegriffe.

    Unterscheide genau, um welche Wärmeform es sich bei beiden Beispielen jeweils handelt.

    Lösung

    Schmelzen und Erstarren sind gegenläufige Prozesse. Daher kann man sich die Veränderungen im Stoff und die damit verbundenen Besonderheiten recht gut merken.

    Schwierig ist nur, sich das Ganze vorzustellen. Denn Schmelzen und Erstarren kann man zwar an vielen Stoffen gut beobachten. In den Körper hineinschauen oder die Besonderheiten in Bezug auf Temperatur und Energie erkennen kann man aber nicht direkt. Darum wird zur Vorstellung und Erklärung der Prozesse das Teilchenmodell verwendet. Die konstante Temperatur und die Aufnahme bzw. Abgabe der Energie untersucht man experimentell.

    Und noch ein Tipp: Dass man einem Stoff, der schmilzt, Energie zuführt, sieht man im Alltag oft: Schneeflocken oder Eiswürfel schmelzen auf der warmen Haut, Speiseeis im Sommer schmilzt schnell in der heißen Sonne. Dass beim Erstarren Energie frei wird, erlebt man so direkt nicht. Hier ist der Frostschutz im Frühjahr bei Obstbäumen (wie der Kirschblüte im Bild) ein Anwendungsbeispiel. Durch die abgegebene Erstarrungswärme von gefrierendem Wasser werden die Knospen der Blüten vor leichtem Frost in der Nacht geschützt.

  • Werte die Versuchsergbnisse zum Schmelzen verschiedener Stoffe aus.

    Tipps

    Während des Schmelzens erhöht sich die Temperatur eines Stoffes nicht.

    Erst wenn ein Stoff vollständig geschmolzen ist, erhöht sich seine Temperatur wieder. Daher bleibt auch dein Getränk immer kalt, solange Eiswürfel darin schwimmen.

    Die Temperatur, die der Stoff während des Schmelzvorgangs besitzt, ist die Schmelztemperatur.

    Lösung

    Im Diagramm erkennt man das Schmelzen eines Körpers daran, dass sich seine Temperatur nicht ändert. Das heißt, der Graph ist eine parallele Linie zur x-Achse. Erwärmt sich ein Stoff hingegen, nimmt seine Temperatur gleichmäßig zu. Das erkennt man daran, dass der Graph eine ansteigende Gerade ist.

    Der rot dargestellte Stoff schmilzt somit die ganze Zeit des Versuchs, da der Graph parallel zur x-Achse verläuft. Dem Stoff wird ständig Energie in Form von Schmelzwärme zugeführt wird und dabei bleibt seine Temperatur konstant.

    Der grün dargestellte Stoff wird die ganze Zeit des Versuchs über gleichmäßig erwärmt, da der Graph durchgängig eine ansteigende Gerade ist.

    Die gelb und blau dargestellten Stoffe schmelzen zunächst vollständig und werden dann kontinuierlich erwärmt.

    Die Schmelztemperatur ist jeweils die Schnittstelle des parallel verlaufenden Graphen mit der y-Achse. Je höher diese Stelle liegt, desto höher ist auch die Schmelztemperatur des Stoffes. Der gelb dargestellte Stoff besitzt somit die niedrigste Schmelztemperatur. Es folgen dann der blau dargestellte Stoff und anschließend der rot dargestellte Stoff.

  • Gib an, welche der Stoffe bei Raumtemperatur (20°C) flüssig sind.

    Tipps

    Welche dieser Stoffe sind bei Raumtemperatur definitiv fest?

    Orientiere dich an deinen Alltagserfahrungen.

    Lösung

    Die Metalle Gold und Eisen sind bei Raumtemperatur fest, da ihre Schmelztemperatur deutlich über der Raumtemperatur liegt.

    Quecksilber und Wasser sind bei Raumtemperatur flüssig. Ihre Schmelztemperaturen liegen unterhalb der Raumtemperatur, aber ihre Siedetemperaturen darüber.

    Sauerstoff ist bei Raumtemperatur gasförmig, da sowohl Schmelz- als auch Siedetemperatur unter der Raumtemperatur liegen.

  • Ermittle anhand der gegebenen Daten, um welchen Stoff es sich bei dem Versuch handelt.

    Tipps

    Berechne aus den Daten die spezifische Schmelzwärme des unbekannten Stoffes.

    Vergleiche diesen Wert mit folgenden Metallen: Aluminium: $396\frac {kJ} {kg}$, Blei: $23\frac {kJ} {kg}$, Eisen: $277\frac {kJ} {kg}$ und Gold: $64\frac {kJ} {kg}$.

    Lösung

    Die spezifische Schmelzwärme des gesuchten Metalls beträgt rund $277\frac {kJ} {kg}$ (siehe Rechnung).

    Bei Vergleich mit den Literaturwerten

    Aluminium: $396\frac {kJ} {kg}$

    Blei: $23\frac {kJ} {kg}$

    Eisen: $277\frac {kJ} {kg}$

    Gold: $64\frac {kJ} {kg}$

    stellst du fest, dass es sich sehr wahrscheinlich um das Metall Eisen handelt.

    Natürlich kann Max des Metall auch aufgrund von vielen anderen Eigenschaften bestimmen, zum Beispiel nach seinen äußeren Eigenschaften oder seiner Schmelztemperatur.