Messungen: Dichte

Diese beiden Würfel sind aus verschiedenen Metallen: einer aus Aluminium, der andere aus Kupfer. Beide Würfel sind gleich groß. Glaubst du, sie haben auch das gleiche Gewicht? Lass uns das überprüfen. Kupfer ist schwerer als Aluminium.

Der Kupfer- und der Aluminiumwürfel bestehen jeweils aus verschiedenen Atomen mit verschiedenen Größen und verschiedenen Massen. Außerdem ist die Anordnung der Atome verschieden. Kupferatome haben eine höhere Atommasse, darum sind sie schwerer als die Atome von Aluminium. Gleichzeitig sind sie aber auch kleiner. Es passen also mehr von ihnen in den gleichen Raum.

Wenn du ein Stück Kupfer nimmst und ein Stück Aluminium, die gleich viel wiegen, dann ist das Aluminium-Stück größer. Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem Gewicht von Materialien oder Stoffen und wie viel Raum sie einnehmen. Dieser Zusammenhang beschreibt, wie viel Masse in eine bestimmte Volumen-Einheit passt. Man bezeichnet das als Dichte. Um herauszufinden, wie hoch die Dichte eines Stoffes ist, musst du seine Masse und sein Volumen kennen.

Nehmen wir einen Würfel als Beispiel. Du kannst seine Masse mit einer Waage messen. In der Physik stellt man Messwerte mithilfe eines internationalen Einheitensystems dar – den sogenannten SI-Einheiten. Die SI-Einheit für Masse ist Kilogramm. Das Volumen lässt sich auf viele verschiedene Weisen messen.

Für einige Körper – wie diesen Würfel – kann man das Volumen ganz einfach durch die Form berechnen. Das Volumen dieses Würfels erhältst du, wenn du seine Länge mit seiner Breite und seiner Höhe multiplizierst. Du kannst das Volumen auch messen, indem du den Körper in eine Flüssigkeit tauchst, z. B. in Wasser.

Lässt du einen Körper in Wasser fallen, steigt der Wasserspiegel an. Die Menge, um die das Wasser ansteigt, entspricht dem Volumen des Körpers. Diese Methode nutzt die Wasserverdrängung, um das Volumen eines festen Körpers zu berechnen. Die SI-Einheit für Volumen ist Kubikmeter. Die SI-Einheit für Dichte ist also Kilogramm pro Kubikmeter.

Eine andere übliche Einheit zur Darstellung von Dichte ist Gramm pro Kubikzentimeter. 1 Gramm pro Kubikzentimeter ist gleich 1000 Kilogramm pro Kubikmeter. Was denkst du: Was haben diese Brücke und diese Schraube aus Stahl gemeinsam? Da sie aus dem gleichen Material sind, hat die Brücke die gleiche Dichte wie die Schrauben, mit denen sie gebaut wurde. Unter den gleichen Bedingungen bleibt die Dichte eines Stoffes unverändert – egal wie groß der Stoff ist.

Die Dichte stellt eine typische Eigenschaft von Stoffen dar. Jedoch ändert sich die Dichte, wenn du die Bedingungen – wie Temperatur oder Druck – änderst. Erhöhst du den Druck, werden die Teilchen zusammengepresst. Sie nehmen weniger Raum ein, aber die Masse ändert sich nicht. Darum steigt dann die Dichte.

Erhöhst du die Temperatur, bewegen sich die Teilchen schneller und weiter voneinander weg. Das Volumen wird größer, aber die Masse bleibt gleich. Die Dichte nimmt ab. Genau aus diesem Grund fliegen Heißluftballons! In Flüssigkeiten oder Gasen können nur Stoffe mit einer geringeren Dichte schweben – Stoffe mit einer höheren Dichte sinken zu Boden.

Erwärmt man die Luft in der Ballonhülle, ist die Dichte der Luft innen geringer als die Dichte der Luft außen. Die heiße Luft treibt nach oben und hebt den Ballon an – und dies geschieht wegen der unterschiedlichen Dichten!