Absorptionsverhalten verschiedener Oberflächen

Absorptionsverhalten verschiedener Oberflächen
Aufbau des Experiments
Kurzbeschreibung
Anhand des Experimentes soll das Absorptionsverhalten verschiedener Oberflächen bei unterschiedlicher Wärmestrahlung untersucht werden.
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Klasse 7, Klasse 8
Basiskonzept:	Absorption von Wärmestrahlung
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment, Schülerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	1
Anspruch des Aufbaus	leicht
Informationen
Name:	Anna Elisabeth Heine
Kontakt:	${\text{heineann}}$@${\text{cms.hu-berlin.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Steffen Wagner

Jeder Körper absorbiert Wärmestrahlung, wie viel Strahlung der Körper absorbiert ist abhängig von der Oberfläche (vgl. [1] LD DIDACTIC). In diesem Experiment soll untersucht werden, bei welchen Oberflächen der Körper am stärksten, bzw. am schwächsten absorbiert. Zusätzlich wird das Experiment nicht nur mit verschiedenen Oberflächen, sondern auch mit verschiedener Wärmestrahlung durchgeführt.

Didaktischer Teil

Grundlegend für das Experiment ist, dass Wärme übertragen wird. Hierbei sollte deutlich gemacht werden, um welche Art von Wärmeübertragung es sich handelt. Oft ist die Rede von den drei Arten des Wärmetransports, Wärmeleitung, Konvektion (Wärmeströmung) und Wärmestrahlung. Bei der Behandlung im Schulunterricht sollte darauf geachtet werden, diese Begriffe für die Schüler deutlich zu trennen, jedoch nicht zu Klassifizieren. Von einer Klasseneinteilung dieser drei Begriffe ist abzuraten, da es außer Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung noch andere Wärmetransporte (z.B. Wärmefluss) gibt. Dabei ist es nicht möglich, diese eindeutig einer der „drei Klassen“ zuzuordnen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, eine Klasseneinteilung der unterschiedlichen Wärmetransporte vorzunehmen, dafür sollten gegebenenfalls andere Aspekte als Vergleichsmöglichkeit dienen. Im Allgemeinen wird jedoch von einer Klasseneinteilung abgeraten. (vgl. Hermann, Job (2012), S. 40).

„Wärmestrahlung: Die Wärme wird von elektromagnetischer Strahlung transportiert.“ (Hermann, Job (2012), S. 40) Die Wärmestrahlung wird über ihre Trägerteilchen (Photonen) definiert, nicht wie bei der Wärmeleitung und der Konvektion über den Antrieb. (vgl. Hermann, Job (2012), S. 40) Wärmestrahlung besitzt Eigenschaften, die den Eigenschaften des Lichtes entsprechen, das heißt sie kann reflektiert, absorbiert und hindurchgelassen werden. Diese sind von verschiedenen Faktoren abhängig, wie in dem Experiment deutlich wird, spielt die Oberflächenbeschaffenheit eine große Rolle, aber auch das Material und die Schichtdicke. (vgl. [2] Schülerlexikon) „Wärmestrahlung wird auch „thermische Strahlung“ oder „Temperaturstrahlung“ genannt.“ (Hermann, 2005, S.38) Sie wird teilweise auch als Infrarotstrahlung bezeichnet, dies ist jedoch nicht ganz zutreffend, da sich die Wärmestrahlung „im Spektrum elektromagnetischer Wellen an das rote Ende des sichtbaren Lichts anschließt“ ([3] Schülerlexikon) Außerdem könnten falsche Schlussfolgerungen aus dieser Bezeichnung gezogen werden, zum Beispiel, dass Wärme nur von Infrarotstrahlung transportiert wird, aber sie wird auch von sichtbarem Licht transportiert. Vergleicht man Infrarotstrahlung und sichtbares Licht transportieren beide Strahlen, bezogen auf die Energie, gleich viel Wärme. (vgl. Hermann, 2005, S.42f) Wenn die Rede von Wärmestrahlung ist, sollte eine der genannten Bezeichnung gewählt und diese während des Unterrichts beibehalten werden, damit dies, bei der Verwendung von zu vielen Begriffen, nicht zu Verwirrung oder falschen Schlussfolgerungen führt.

Versuchsanleitung

Geräte

• 3 Wärmeplatten (schwarz, weiß, silber)
• Temperaturfühler (CASSY)
• Temperaturbox für CASSY
• CASSY
• Laptop
• Glasplatte
• 2 Stativfüße, Sockel
• 2 Stativstangen, 100mm
• Muffe
• geeignete Halterung für die Glasplatte
• Software: CASSY Lab2

Aufbau

Abb. 1: Aufbau des Temperaturfühlers mit Wärmeplatte

Der Aufbau des Experimentes ist sehr einfach und schnell. Als erstes wird eine Halterung für den Temperaturfühler aus Stativfuß, Stativstange und Muffe gebaut, wobei der Temperaturfühler in die Muffe geklemmt wird (siehe Abb.1). Im Anschluss wird der Temperaturfühler an die Temperaturbox, welche mit dem CASSY verbunden ist, angeschlossen. Auf den Temperaturfühler werden die Wärmeplatten gesteckt, diese sollten dementsprechend eine passende Bohrung haben.

Für den ersten Versuch mit Infrarotlicht wird der Temperaturfühler mit aufgesteckter Wärmeplatte direkt vor die Lampe gestellt.

Bei dem Versuch mit sichtbarem Licht wird zwischen die Infrarotlampe und den Temperaturfühler eine Glasplatte gestellt. Für die Glasplatte wird eine ähnliche Halterung wie für den Temperaturfühler gebaut.

Durchführung

Abb. 2: Aufbau des Versuches mit sichtbarem Licht

Zunächst sollte die Infrarotlampe einige Minuten warm laufen, damit sie während der Messung eine konstante Temperatur hat. Im Anschluss wird das CASSY Lab2 Programm gestartet und über die Schaltfläche „CASSY-Module anzeigen“ wird der Temperaturfühler aktiviert. Der nächste Schritt sollte sein, über „Messparameter anzeigen“ die entsprechenden Messparameter einzustellen. Es bietet sich an die Messzeit 2 min zu wählen und aller fünf Sekunden eine Messung durchführen zu lassen, so dass man 25 Messungen erhält. Für die Vorführung im Unterricht sollte bedacht werden, ob es nicht sinnvoller ist, eine Messdauer von 1 min mit Messungen aller zwei Sekunden einzuteilen, damit keine zu großen Wartezeiten entstehen.

Für den ersten Versuch wird die Temperaturerhöhung der verschiedenen Oberflächen bei Infrarotstrahlung gemessen. Hierbei muss der Temperaturfühler mit der ersten Platte (z.B. silber) vor der Infrarotlampe platziert und zur gleichen Zeit die Messreihe im CASSY-Programm gestartet werden. Damit dies wirklich zeitgleich geschieht, sollte eine weitere Person dabei helfen. Damit bei den Einzelmessungen der unterschiedlichen Oberflächen die gleichen Voraussetzungen gegeben sind, sollte darauf geachtet werden, dass der Temperaturfühler mit der entsprechenden Platte stets an der gleichen Stelle positioniert wird. Zwischen den Einzelmessungen sollte darauf geachtet werden, dass der Temperaturfühler vor einer neuen Messreihe wieder Raumtemperatur angenommen hat.

Für den zweiten Versuch wird die Temperaturerhöhung bei sichtbarem Licht gemessen. Hierfür wird die Glasplatte zwischen die Infrarotlampe und den Temperaturfühler mit den Wärmeplatten gestellt (siehe Abb.2). Nun werden die einzelnen Messreihen für die unterschiedlichen Oberflächen wiederholt. Auch hier sollte darauf geachtet werden, dass die Positionen beibehalten werden und dass der Temperaturfühler stets Raumtemperatur hat.

Ergebnisse

Die Ergebnisse lassen sich hervorragend direkt im CASSY Programm mit den Schülerinnen und Schülern auswerten, neben einer Tabelle mit den entsprechenden Werten wird automatisch das Diagramm angezeigt. Dabei bietet es sich an, die Graphen in den jeweiligen Farben darzustellen, das heißt der schwarze Graph ist die Messung der schwarzen Wärmeplatte, der dunkel graue Graph ist die Messung der silbernen und der hell graue die Messung der weißen Wärmeplatte. In Abbildung 3 wird das Ergebnis des ersten Versuchs mit der Infrarotstrahlung dargestellt, in Abbildung 4 das Ergebnis des Versuches mit sichtbarem Licht.

Abb. 3: Ergebnisse des Versuches mit Infrarotstrahlung im Diagramm dargestellt

Abb. 4: Ergebnisse des Versuches mit sichtbarem Licht im Diagramm dargestellt

Auswertung

In dem Diagramm ist nun zu erkennen, welche der drei Wärmeplatten sich am stärksten bzw. am schwächsten erwärmt hat, das heißt welche der Platten am stärksten bzw. am schwächsten die Infrarotstrahlung absorbiert hat. Dabei reicht es, wenn die Graphen verglichen werden. Bezogen auf Abbildung 3 kann man deutlich erkennen, dass die Platte, welche mit schwarzen Ruß bedeckt ist, am meisten Strahlung absorbiert hat. Die silberne Wärmeplatte hat die Strahlung am schwächsten absorbiert. Ist die Oberflächenbeschaffenheit rau und schwarz wird die Strahlung sehr gut absorbiert. Handelt es sich jedoch um eine sehr glatte und spiegelnde Oberfläche, wie es bei der silbernen Platte der Fall ist, wird die Strahlung reflektiert. Betrachtet man den Graphen der weißen Platte, kann man erkennen, dass diese deutlich mehr Strahlung aufgenommen hat als die silberne, jedoch weniger als die schwarze.

Bei dem Versuch mit sichtbaren Licht kann man in Abbildung 4 deutlich erkennen, dass die schwarze Platte am stärksten und die silberne am schwächsten absorbiert. In diesem Fall absorbiert jedoch die weiße Platte deutlich schwächer als die schwarze, aber immer noch etwas stärker als die silberne Platte die Wärmestrahlung des sichtbaren Lichtes.

Beim Vergleich der beiden Versuche wird zunächst ein Blick auf die Temperaturskala geworfen, dabei ist zu sehen, dass sich die schwarze Platte bei Infrarotstrahlung deutlich weniger erwärmt, als die bei der Strahlung von sichtbarem Licht, Grund dafür könnte jedoch die Glasplatte sein, welche die Infrarotstrahlung aufhält und somit weniger Wärmestrahlung durchlässt. Auffällig ist, dass sich die weiße Platte sehr unterschiedlich verhält. Bei der Infrarotstrahlung absorbiert die weiße Platte fast so stark wie die schwarze, bei dem Versuch mit dem sichtbaren Licht absorbiert sie jedoch wesentlich schwächer.

Sicherheitshinweise

Da die Infrarotlampe sehr heiß wird, sollte darauf geachtet werden, diese während des Betriebes nicht zu berühren.

Siehe auch

• LD DIDACTIC: Lichtintensität - Strahlungsgesetze; http://www.ld-didactic.de/literatur/hb/d/p5/p5523_d.pdf [16.08.2014]
• Schülerlexikon: Wärmestrahlung; http://m.schuelerlexikon.de/mobile_physik/Waermestrahlung.htm [17.08.2014]