Ausdehnung der Körper durch Wärme.
Die wichtigste Wirkung der Wärme ist die Ausdehnung. Alle Körper dehnen sich in der Wärme aus und ziehen sich in der Kälte zusammen. Wenn indeß feuchter Thon in der Hitze sich zusammenzieht oder schwindet, so ist das nur eine scheinbare Ausnahme, da er durch die Hitze das Wasser verliert, welches ihm seine größere Ausdehnung gab. Nur das Wasser macht eine wirkliche Ausnahme. Bei einer Temperatur von 3° R. hat es seine größte Dichtigkeit; von da ab dehnt es sich sowohl bei weiterer Erwärmung als bei weiterer Abkühlung immerfort aus. Im Augenblicke des Gefrierens besitzt es etwa dieselbe Ausdehnung, wie bei der Temperatur von 6½° R. Auch beim Gefrieren dehnt sich das Wasser aus; das Eis hat also ein geringeres specifisches Gewicht als das Wasser oder ist leichter als dasselbe und schwimmt daher auf dem Wasser.
Fig. 50.
Die Ausdehnung der Körper durch die Wärme wird zur Messung der Wärme benutzt, und zwar bedient man sich dazu besonders solcher Körper, welche sich durch eine gewisse Gleichförmigkeit der Ausdehnung auszeichnen, vor Allem des Quecksilbers, aber auch des Weingeistes, der Luft und bisweilen sogar der Metalle. Das gewöhnlichste Instrument zur Messung der Wärme ist das Thermometer. Es besteht aus einer engen gläsernen Röhre, welche unten in eine Kugel ausläuft. Diese Röhre wird mit Quecksilber oder Weingeist gefüllt und, nachdem durch Erhitzen die Luft ausgetrieben ist, oben zugeschmolzen. An dieser Röhre befindet sich eine Gradeintheilung oder Skala. Auf dieser wird zunächst der Punkt bestimmt, bis zu welchem das Quecksilber in der Röhre sich bei der Temperatur des siedenden Wassers ausdehnt, ebenso derjenige Punkt, an welchem das Quecksilber bei der Temperatur des gefrierenden Wassers steht. Der erstere heißt der Siedepunkt, der letztere der Eispunkt oder Gefrierpunkt. Der Zwischenraum zwischen beiden Punkten wird bei dem Réaumur'schen Thermometer in 80, bei dem Celsius'schen in 100 gleiche Theile oder Grade eingetheilt. Der Gefrierpunkt ist zugleich der Nullpunkt. Bei dem Fahrenheit'schen Thermometer wird der Nullpunkt durch eine Temperatur bezeichnet, welche durch eine künstliche Kältemischung von Schnee und Salmiak erzeugt wird. Dieser künstliche Eispunkt liegt 142/9 Réaumur'sche Grade tiefer als der natürliche Gefrierpunkt. Der Zwischenraum zwischen diesem künstlichen Eispunkt und dem Siedepunkt ist beim Fahrenheit'schen Thermometer in 212 Grade eingetheilt. Der natürliche Gefrierpunkt liegt also hier bei 32 Grad. – Das erste Thermometer soll der Holländer Cornelius Drebbel gegen das Jahr 1630 erfunden haben; doch war es noch sehr unvollkommen und maß die Temperatur nur durch die Ausdehnung der Luft, welche das Steigen und Fallen einer rothgefärbten Flüssigkeit im untern Theile der Röhre bewirkte. Die gegenwärtige Einrichtung erhielt das Thermometer erst durch die Akademie von Florenz, die zuerst eine Füllung mit Weingeist anwandte. Die jetzigen festen Punkte wurden von Fahrenheit in Danzig (1709) und Réaumur (1730) eingeführt. Der Gebrauch des Quecksilbers für das Thermometer rührt von Fahrenheit (1714), die hunderttheilige Skala von Celsius in Upsala (1742) her.
277. Warum läßt sich ein eiserner Topf, den man kalt gerade noch durch eine Ofenthür schieben konnte, wenn er heiß geworden, nicht wieder herausziehen?
Weil das Eisen sich durch die Wirkung der Wärme ausgedehnt, der heiße Topf daher einen weit größeren Inhalt und größere Höhe angenommen hat als vorher. Aus demselben Grunde füllen Plättbolzen rothglühend die Plätteisen fast ganz aus, während sie kalt sich darin hin und her schütteln ließen.
278. Warum legt der Schmied den eisernen Wagenreif glühend um das Rad?
Weil der eiserne Reif im glühenden Zustande ausgedehnt ist und, wenn er so an das Rad befestigt wird, sich beim Erkalten zusammenziehen und daher fest an das Rad anschließen muß. Dagegen schlägt der Schmied die Nägel kalt in das heiße Eisen, weil sie, heiß eingeschlagen, nach dem Erkalten ihren Raum nicht mehr ganz ausfüllen und daher leicht herausfallen würden.
279. Warum zerspringt ein Glas, wenn man plötzlich heißes Wasser hineingießt, oder wenn man es auf einen heißen Ofen setzt?
Weil das Glas in Folge der Erwärmung sich ausdehnt, diese Ausdehnung aber eine sehr ungleichmäßige ist, da der Boden des Glases beim Hineingießen heißen Wassers oder bei der Erwärmung des Glases von unten stärker und schneller erwärmt wird als die Seitenwände. Da das Glas aber ein sehr spröder Körper ist, dessen Theile starke Verschiebungen nicht ertragen, so muß es zerspringen. Wenn man ein Glas auf einen heißen Ofen stellt, so kann man es vor dem Springen dadurch schützen, daß man ein Blatt Papier unterlegt, da das Papier als schlechter Wärmeleiter die zu schnelle Mittheilung der Ofenwärme an den Boden des Glases verhindert.
280. Warum bekommen Steinplatten, die durch eiserne Klammern zusammengehalten sind, bei strenger Kälte nicht selten Risse?
Weil die eisernen Klammern sich in der Kälte stark zusammenziehen und, wenn sie sehr fest eingelassen sind und daher keinen Spielraum haben, die Steinplatten mit sich ziehen und gewaltsam zerreißen.
281. Warum darf man bei Zinkbedachung die Platten nicht zusammenlöthen oder nieten?
Weil die Zinkplatten in der Wärme sich ausdehnen, wenn sie aber an einander befestigt sind, in Folge ihrer Ausdehnung sich verwerfen und krümmen müssen. Ihre Zusammenziehung in der Kälte würde sogar ihre Zerreißung zur Folge haben. Man pflegt daher diese Platten nur zu falzen, d. h. mit den umgebogenen Rändern an einander zu haken, damit sie sich ungehindert ausdehnen und zusammenziehen können. Eisenbahnschienen, die so dicht an einander gelegt sind, daß sie mit ihren Enden an einander stoßen, krümmen oder werfen sich gleichfalls in der Hitze.
Fig. 51.
282. Warum pflegt man bei sehr feinen Pendeluhren die Pendelstange aus verschiedenen, zum Theil an einander gelötheten Metallstäben zusammenzusetzen? ([Fig. 51].)
Weil in Folge der Ausdehnung durch die Wärme die Pendelstange bald verlängert, bald verkürzt werden würde, von der Länge des Pendels aber die Dauer der Schwingungen abhängt; weil es jedoch bei der Anwendung verschiedener Metalle durch ihre verschiedene Ausdehnung möglich wird, die Verschiebungen des Schwingungsmittelpunkts so auszugleichen, daß das Pendel beständig eine gleiche Länge behauptet. Man nennt eine solche Einrichtung eine Compensation. Gewöhnlich benutzt man dazu eine Verbindung von Zink- und Stahlstäben, deren Ausdehnungen bei gleicher Temperaturerhöhung sich nahezu wie 18 : 7 verhalten. Die Pendelstange trägt dann an ihrem oberen Theile ein stählernes Querstück, an dessen Enden zwei Stahlstäbe (e) befestigt sind, die unten wieder an zwei Querstücken mit zwei aufwärts gerichteten Zinkstäben (z) verbunden sind, an deren oberem Querstück die eigentliche stählerne Pendelstange (E) hängt. Wenn sich nun diese mittlere Pendelstange durch die Wärme nach unten verlängert, dehnen sich die Zinkstäbe gleichzeitig fast dreimal so stark aus und heben das Querstück, an welchem sie befestigt sind, und damit auch die Pendelstange wieder nach oben. Damit aber diese Hebung nicht zu groß werde, dehnen sich wieder die seitlichen Stahlstäbe nach unten aus, und es ist leicht zu begreifen, daß bei richtig gewählter Länge dieser Stäbe die Hebungen und Senkungen derselben in Folge der Wärme in ihren Wirkungen einander völlig vernichten können. Auch bei der Unruhe der Taschenuhren wendet man bisweilen eine solche Compensation an, indem man den Schwungring aus feinen Stahl- und Messinglamellen zusammensetzt.
283. Warum springen Gefäße, in denen Wasser gefriert?
Weil das Wasser sich beim Gefrieren sehr stark ausdehnt, während das Gefäß sich nicht erweitert, das gefrorene Wasser aber als fester Körper sich nicht mehr durch Ausfließen einen größeren Raum verschaffen kann und daher die Wände des Gefäßes sprengen muß. Die Kraft des gefrierenden Wassers in Folge seiner Ausdehnung ist so groß, daß es selbst Felsen und eiserne Bomben sprengt.
284. Warum frieren unsere stehenden Gewässer (Teiche und Seen) nicht bis auf den Grund aus?
Weil das Wasser, wenn es sich bis zu 3° R. abgekühlt hat, seine größte Dichtigkeit besitzt, also am schwersten ist, bei weiterer Abkühlung daher leichter wird, so daß sich das kältere Wasser an die Oberfläche lagert und gefriert und nun eine schützende Eisdecke über dem Wasser bildet, welche ein zu weites Eindringen der Kälte in die Tiefe verhindert. Besäße das Wasser diese Eigenthümlichkeit nicht, nähme seine Dichtigkeit vielmehr bis zum Gefrierpunkte zu, so würden allerdings diese Gewässer völlig ausfrieren. Es würde dann die oberste abgekühlte und schwerer gewordene Wasserschicht zu Boden sinken, und dieses Auf- und Absteigen des Wassers würde fortdauern, bis die ganze Wassermasse auf den Gefrierpunkt erkaltet wäre. So hat aber dieses Auf- und Niedersteigen des Wassers bereits ein Ende, sobald die Wassermasse auf 3° R. erkaltet ist, und das Gefrieren kann daher nur an der Oberfläche stattfinden.
285. Warum laufen Gefäße über, die mit einer Flüssigkeit bis nahe an den Rand gefüllt sind, sobald sie erwärmt werden?
Weil die Flüssigkeit in Folge der Wärme sich ausdehnt und, da das Gefäß ihr nicht gestattet, einen größeren Raum einzunehmen, über den Rand desselben hinausgetrieben wird. Nimmt man das Gefäß vom Feuer, so sinkt die sich abkühlende Flüssigkeit wieder, weil sie sich in einen kleineren Raum zusammenzieht.
286. Warum steigt das Thermometer in der Wärme und fällt in der Kälte?
Weil das in der Röhre des Thermometers enthaltene Quecksilber, wie jeder andere Körper, sich bei zunehmender Wärme ausdehnt, bei abnehmender Wärme zusammenzieht und daher im ersteren Falle einen größeren, im letzteren einen kleineren Raum einnimmt. Wenn aber das Quecksilber in der Wärme einen größeren Raum einnimmt, so muß es auch in einer engen Röhre höher stehen. Andere Flüssigkeiten thun zwar dasselbe, doch ist ihre Ausdehnung bei verschiedenen Temperaturgraden nicht eine so gleichmäßige, wie die des Quecksilbers.
287. Warum springen Kastanien, wenn man sie nicht vorher aufgeschlitzt hat, mit einem heftigen Knalle auf, sobald sie auf glühende Kohlen oder heiße Asche gelegt werden?
Weil die unter der Schale eingesperrte Luft, durch die Hitze ausgedehnt, sich einen Ausgang zu bahnen strebt und daher die Schale, die sie daran hindert, gewaltsam sprengt. War dagegen die Schale vorher aufgeschlitzt, so kann die ausgedehnte Luft ungehindert entweichen.
288. Warum springen Feuerfunken mit heftigem Knistern von brennenden Holzscheiten weg?
Weil die in den Poren des Holzes enthaltene Luft, durch die Hitze stark ausgedehnt, mit Heftigkeit herausdringt und Theilchen des Holzes, die ihr den Weg versperren, fortschleudert.
289. Warum schwillt eine fest zugebundene, jedoch äußerst schlaffe und viele Falten enthaltende Blase auf und wird ganz straff, wenn wir sie auf einen warmen Ofen legen?
Weil die in der Blase enthaltene Luft durch die Wärme des Ofens so stark ausgedehnt wird, daß sie den ganzen, ihr durch die zusammengebundene Blase gebotenen Raum auszufüllen sucht. Die Blase muß darum dem durch die ausgedehnte Luft ausgeübten Drucke nachgeben und sich ausspannen.
290. Warum haftet ein Trinkglas mit gut geschliffenem Rande, das man eine Zeit lang über eine Lichtflamme gehalten und dann schnell mit der Oeffnung auf die Hand gestellt hat, so fest auf derselben, daß es sich nur mit Mühe wieder abreißen läßt?
Weil durch die Hitze der Lichtflamme die in dem Glase befindliche Luft ausgedehnt und zum Theil ausgetrieben, die darin zurückgebliebene Luft daher sehr verdünnt ist, so daß der Druck der äußeren dichteren Luft auf das Glas nun stärker ist als der Gegendruck der inneren Luft. Da die Hand den Zutritt der äußeren Luft verhindert, so muß man diesen ganzen äußeren Luftdruck überwinden, um das Glas loszureißen. In ähnlicher Weise werden auch die Schröpfköpfe (gewöhnlich kleine Glasglocken) über einer Flamme erwärmt und dann schnell auf die Haut gestülpt, damit, wenn die verdünnte Luft in ihnen erkaltet und sich zusammenzieht, ein leerer Raum entsteht und in Folge dessen das Blut aus den zuvor in die Haut gemachten Einschnitten gesogen wird.
291. Warum steigt der Rauch eines angezündeten Feuers in die Höhe?
Weil die das Feuer umgebende Luft durch die Hitze ausgedehnt und verdünnt wird und daher wegen ihrer größeren Leichtigkeit aufwärts steigt, wobei sie den Rauch mit sich fortreißt, obgleich derselbe Bestandtheile enthält, wie die feinen Kohlentheilchen, die specifisch schwerer sind als die Luft.
292. Warum ist es an der Decke eines geheizten Zimmers immer wärmer, als auf dem Fußboden desselben?
Weil die erwärmte Luft zugleich ausgedehnt und darum specifisch leichter geworden ist als die kältere und darum dichtere Luft, sich deshalb auch über derselben lagern und so den oberen Theil des Zimmers einnehmen muß, während die kältere Luft den unteren Raum erfüllt. Zwei verschieden warme, also verschieden dichte Luftschichten verhalten sich ebenso wie zwei Flüssigkeiten von verschiedenem specifischen Gewicht, die man in ein Gefäß zusammenschüttet; die leichtere Luftschicht lagert sich über der schwereren.
Fig. 52.
293. Warum dreht sich eine kleine aus Papier verfertigte Schlange, wenn man sie auf die Spitze eines Drahtes oder einer Stricknadel hängt, die unten in ein Brettchen oder einen Kork befestigt ist, und sie dann in die Nähe des geheizten Ofens oder über eine Lichtflamme hält?
Weil die Luft in der Nähe des Ofens oder der Lichtflamme durch die Wärme ausgedehnt wird und darum beständig emporsteigt, dieser aufsteigende Luftstrom aber auf die leicht bewegliche Papierschlange stößt und sie nun ebenso in eine drehende Bewegung versetzt, wie der Wind die Windmühlenflügel dreht.
Fig. 53.
294. Warum brennt eine Lampe besser, wenn sie mit einem Cylinder versehen ist, als ohne einen solchen?
Weil durch die in dem Cylinder aufsteigende erwärmte Luft ein Luftzug entsteht, durch welchen der Flamme von unten her beständig neue kalte Luft zugeführt wird, welche durch ihren Sauerstoff die Verbrennung fördert. Die in dem Cylinder enthaltene erwärmte und darum ausgedehnte Luft bildet nämlich eine Luftsäule von geringerem specifischem Gewicht, die aber äußerlich ringsum von einer gleichhohen Luftsäule umgeben ist, welche wegen ihrer niedrigeren Temperatur ein größeres specifisches Gewicht hat. Wegen der allseitigen Fortpflanzung des Luftdrucks übt diese äußere Luftsäule von unten her einen Druck auf die im Cylinder befindliche Luft aus, strömt unten ein und treibt die erwärmte Luft in die Höhe. Je höher der Cylinder, desto größer ist auch der Druck der äußeren Luftsäule und desto lebhafter der Luftzug. Was der Cylinder bei den Lampen, ist der Schornstein bei unsern Oefen und Feuerungen aller Art. Große Feuerungen in Fabriken brauchen darum auch sehr hohe Schornsteine. Zu weite Schornsteine bringen nicht hinreichenden Zug hervor, da die große, von ihnen umschlossene Luftmasse zu schwach erwärmt wird und darum der Unterschied zwischen ihrem specifischen Gewicht und dem der äußeren Luft zu unbedeutend ist. Zu enge Schornsteine haben den Nachtheil, daß die hindurchziehende Luftmasse nicht hinreicht zur Unterhaltung des Feuers.
295. Warum wird die Flamme eines brennenden Lichtes, welches man oben an die geöffnete Thür eines geheizten Zimmers hält, lebhaft nach außen geblasen, während sie nach innen hineingeweht wird, wenn man das Licht unten nahe am Fußboden an die geöffnete Thür bringt?
Weil bei geöffneter Thür die äußere kalte und darum dichtere Luft vermöge ihres größeren specifischen Gewichts unten in den erwärmten Raum eintritt, sich darin bis zur gegenüberliegenden Wand ausbreitet und dadurch einen Theil der erwärmten, also ausgedehnten und darum leichteren Zimmerluft emportreibt und längs der Decke zur oberen Thüröffnung hinausschiebt. In jedem geheizten Zimmer, in welches durch irgend eine Oeffnung von außen her die kältere Luft eintreten kann, findet also ein beständiger Kreislauf der Luft statt, indem die Luft unten der erwärmten Stelle zuströmt, oben von ihr hinwegzieht. Dieser Kreislauf ist für bewohnte Räume sehr wichtig, da er einen beständigen Ersatz der verbrauchten und für die Athmung untauglich gewordenen Luft durch frische bewirkt.
296. Warum weht an Meeresküsten regelmäßig am Tage der Wind vom Meere her, in der Nacht dagegen vom Lande gegen das Meer hin?
Weil das Land am Tage stärker erwärmt wird als das Meer, die stärker erwärmte Luft über dem Lande daher aufwärts steigt, und die kühlere, dichtere Seeluft nun nach dem Lande strömen muß, um das Gleichgewicht herzustellen; während in der Nacht das Land sich vermöge seiner stärkeren Ausstrahlung schneller abkühlt als das Meer, und die Luft daher umgekehrt über dem Meere wärmer und leichter ist und in Folge dessen aufsteigt, die kältere und schwerere Landluft aber nun dem Meere zuströmen muß. Einen ähnlichen Wechsel der Luftströmungen beobachtet man auch in den meisten Gebirgsgegenden, namentlich am Ausgange großer Thäler. Die Sonne erwärmt nämlich am Tage die Berge mehr als die Ebenen, in welche die Thäler münden, und die erwärmte Luft steigt auf, während die kühlere Luft aus der Ebene einströmt. In der Nacht dagegen kühlen sich die Berge stärker ab als die Ebenen, und die kältere Luft strömt von den Bergen herab. Auf solchen Unterschieden der Erwärmung beruht auch das Entstehen der Winde im Großen. Die in den Polargegenden erkaltete schwere Luft strömt gegen die erwärmten Gegenden des Aequators hin, während die erwärmte Luft von hier aufsteigt und gegen die Pole hinströmt. Dabei verändert die Umdrehung der Erde ihre Richtung; die kalten Polarströme bleiben etwas nach Westen zurück, während die warmen Aequatorialströme nach Osten voraneilen. Jene verursachen die bekannten Nordost- und Südostpassate, diese die Südwest- und Nordwestwinde.
297. Warum kocht das Wasser in einem Topfe leichter, wenn man ihn über ein Feuer stellt, als wenn man ihn an ein Feuer stellt?
Weil das Wasser als schlechter Wärmeleiter nur langsam die Wärme von Theilchen zu Theilchen mittheilen kann, in einem Topfe, der am Feuer steht, daher das Wasser am Boden noch lau geblieben sein kann, während es an der Oberfläche fast kocht. Wenn aber das Wasser von unten her erwärmt wird, so steigen die erwärmten und darum leichter gewordenen Wassertheilchen aufwärts, während die kälteren und schwereren hinabsinken und nun gleichfalls erwärmt werden können. Es entsteht daher eine Kreisbewegung der Flüssigkeit, welche die gleichmäßige Erwärmung der ganzen Wassermasse herbeiführt.