Experimentieren an Stationen zur Wärmelehre

Experimentieren an Stationen zur Wärmelehre
Kurzbeschreibung
Schülerversuche zur Thermodynamik
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Klasse 7, Klasse 8
Basiskonzept:	System, Wechselwirkung, Energie oder Materie
Sonstiges
Durchführungsform	Lernen an Stationen, Schüler*innen-Experiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	4
Anspruch des Aufbaus	leicht, mittel
Informationen
Name:	Sven Thor
Kontakt:	${\text{Sven.thor}}$@${\text{physik.hu-berlin.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	F. Boczianowski

Um den SuS die Thermodynamik näher zu bringen, werden hier einfache Versuche vorgestellt, welche stationsweise durchgeführt werden können. Der einfache Aufbau der Experimente ermöglicht auch Teile als Hausaufgabe zu geben. Der Schwierigkeitsgrad kann dabei von phänomenologisch bis zu quantitativ ausgewerteten Diagrammen angepasst werden und ist somit für jeden Schultyp verwendbar.

Didaktischer Teil

Die Thematik wird als Form des schülerzentrierten Unterrichts als Lernen an Stationen vorgeschlagen. Neben dem Erkenntnisgewinn soll Methodenkompetenzen wie Versuchsdurchführung und -auswertung dabei gefördert werden. Soziale Kompetenzen durch Arbeiten in der Gruppe wird gefordert und ausgebaut (vgl. Mikelskis-Seifert und Rabe (2007), S. 34).
Station 1 soll zur Anknüpfen an das alltägliche Wissen dienen und Vorkenntnisse mit naturwissenschaftlichem Wissen in Deckung bringen.
Station 2 und 3 bietet neben der Erkenntnisgewinnung über Wärmekapazitäten auch die Möglichkeit, dass die SuS sich mit den Einflüssen von Messfehlern beschäftigen. Muss die Wassermenge bis auf den letzten Tropfen genau abgemessen werden? Wie sinnvoll ist es, die Temperatur auf eine Dezimalstelle zu messen, während sich heißes Wasser schnell abkühlt? Verändert ein wiederholtes Benutzen eines Wasserkochers die Anfangstemperatur, da er schon vorgewärmt ist?
Im zweiten Teil von Station 3 soll auch ein kognitiver Konflikt ausgelöst werden, an deren Ausgang die Erkenntnisgewinnung über die Phasenumwandlung und Energien stehen soll (vgl. Duit (1995)). Grafische Darstellung als Auswertung wird für alle Schulformen vorgeschlagen. Berechnung der Wärmekapazitäten und Interpretation bietet sich für höhere Niveaus an.
Station 4 soll durch eine Transferleistung des Phasenübergangs von Station 3 das erlernte Wissen festigen.

Versuchsanleitung

Im folgenden werden die einzelnen Stationen vorgestellt. Station 1 behandelt die Reibungswärme, Station 2 Wärmekapazitäten unterschiedlicher Materialien. Station 3 behandelt die Wärmekapazität und Phasenübergang. Station 4 ist ein phänomenologischer Versuch zum Energiebedarf beim Phasenübergang.

Station 1 - Reibung erzeugt Wärme

Aufbau

Zur Durchführung wird ein Kunststoffseil benötigt, die eigenen Hände reichen aber auch zur Veruchsdurchführung.

Durchführung

Mit der Hand wird kräftig über ein Seil gezogen, so dass die Reibung die Handflächen erwärmt. Alternativ können auch die Hände aneinander gerieben werden.

Ergebnisse

Die Reibungswärme ist an der Handfläche spürbar.

Auswertung

Die phänomenologische Auswertung soll ergeben, dass Wärme durch Arbeit erzeugt werden kann. Dies soll darauf hinweisen, dass Wärme eine Form der Energie ist. Kälte hingegen ist die Abwesenheit von Wärme.

Station 2 – Wärmekapazität- Mischung von kaltem und warmen Wasser sowie Wasser und Eisen

Aufbau

Ein großes Gefäß/Becherglas, sowie zwei kleine gleich große Gefäße (Schnapsgläser), Eisennägel sowie ein Thermometer werden benötigt. Ein dünnwandiges Gefäß für die Wassermischung wird empfohlen um Störeinflüsse zu minimieren. Für das Eissen bieten sich Eisennägel oder Eisenstücke an, welche in der Summe soviel wiegen sollten, wie das Wasser einem kleinen Gefäß.

Durchführung

Teil A

Die kleinen Gefäße werden mit der gleichen Menge Wasser gefüllt, eins mit kaltem, das andere mit heißem Wasser. Die Temperatur von beiden Wassermengen wird gemessen. Im großen Gefäß werden beide Wassermengen gemischt und die Temperatur bestimmt.

Mischung von gleichen Mengen Wasser.

Teil B

Die Eisenstücke werden im heißen Wasser einige Minuten erwärmt und dann mit einer Zange in ein Gefäß mit der gleichen Menge kaltem Wasser gelegt. Sie müssen vollständig mit Wasser bedeckt sein. Es bietet sich an 100 g Eisen mit 100 g Wasser in Kontakt zu bringen. Mit dem Thermometer wird gerührt und nach kurzer Zeit stellt sich das Temperaturgleichgewicht zwischen Eisen und Wasser ein.

Eisenstangen mit kalten Wasser gemischt.

Ergebnisse

Die Temperatur vor und nach dem Mischen werden notiert und verglichen. Der Mittelwert sollte beim Mischen von Wasser herauskommen. Beim Mischen von Eisen und Wasser hingegen zeigt sich, dass die Mischungstemperatur näher an der Anfangstemperatur des Wassers liegt. Wasser hat eine höhere Wärmekapazität als Eisen. Beispieltwerte:

Wasser	Eisen	Mischung
113g mit 23,2°C	111g mit 51,2°C	26,1°C
111g mit 23,7°C	111g mit 72,6°C	29,0°C

Bei den oben genannten Messwerten ergibt unter Verwendung von Literaturwerten für die Wärmekapazität von Wasser eine Wärmekapazität von 0,45 kJ/(kg*K) für Eisen. (Literaturwert Wärmekapazität von Eisen 0,452 kJ/(kg*K) (Wikipedia) )

Auswertung

Bei Mischen von gleichen Stoffen, hier Wasser, ergibt es bei gleicher Stoffmenge den Mittelwert der Temperatur. Bei Verwendung unterschiedlichen Stoffen hingegen ist die Wärmekapazität zu berücksichtigen. Bei mehrmaligem Durchführen kann das Thema der Messungenauigkeit thematisiert werden. Weiterführende Überlegungen bei Verwendung von ungleichen Mengen kaltem und heißem Wasser.

Station 3 - Wasserkocher

Aufbau

Ein handelsüblicher Wasserkocher sowie eine Stoppuhr wird benötigt. Ein Stromzähler für den Haushalt wird ebenfalls benötigt oder die Heizleistung wird am Etikett des Wasserkochers abgelesen.

• 

  Wasserkocher, Stoppuhr und Leistungsmesser

Durchführung

Teil A

Frisches Wasser aus dem Wasserhahn wird im Wasserkocher eine vorgegebene Zeit (Stoppuhr) erwärmt. Die Masse des Wassers sowie Anfangs- und Endtemperatur sind zu notieren. Dies ist für unterschiedlich lange Heizzeiten jeweils mit frischem Wasser durchzuführen. Gleiche Wassermengen bei unterschiedlichen Zeiten lassen sich gut in einem Zeit-Temperatur-Diagramm darstellen.

Teil B

Im letzten Schritt wird eine bekannte Menge Wasser zum Sieden gebracht und versucht es jenseits der 100°C zu erhitzen. Bei den meisten Wasserkochern kann der Einschaltknopf gedrückt werden, um auch bei kochendem Wasser zu heizen.

Ergebnisse

Teil A

Aus der ersten Messreihe läßt sich aus der Heizzeit, der Heizleistung des Wasserkochers, der Wassermenge und der Temperaturdifferenz von End- und Anfangstemperatur die Wärmekapazität des Wassers bestimmen.

Teil B

Wasser läßt sich nur bis zur Siedetemperatur erhitzen trotz weiterer Energiezufuhr. Dies äussert sich in einer ansteigenden Kurve bis zur Siedetemperatur und einem darauf folgenden Temperaturplateau. Bei Siedetemperatur kann die Temperatur erst weiter steigen, wenn das ganze Wasser in den neuen Aggregatzustand überführt wurde.

• 

  Temperatur gegenüber Heizdauer.

Auswertung

Teil A

Die Wärmekapazität des Wassers läßt sich aus den Messerwerten errechnen.

Teil B

Die Temperatur verweilt bei der Siedetemperatur trotz weiterer Energiezufuhr. Diese Energie wird benötigt um den Phasenübergang von flüssig nach gasförmig zu bewältigen.

Station 4 - Schwitzendes Thermometer

Aufbau

Als Material wird am besten elektrisches Thermometer benötigt, sowie ein Wasserbecher mit Wasser oder auch eine leicht verdampfende Flüssigkeit (z.B. Desinfektionsspray). Ein elektrisches Thermometer bietet sich an, da dieses eine kürzere Latenzzeit besitzt als ein analoges Thermometer.

Durchführung

Die Temperatur der Flüssigkeit, welche Raumtemperatur haben sollte, wird mit dem Thermometersensor gemessen. Beim Herausziehen des Thermometers wird nach kurzer Zeit eine Abnahme der Temperaturanzeige beobachtet.

Ergebnisse

Durch die Verdunstung von Restflüssigkeit am Sensor wird dieser gekühlt. Die Temperatur sinkt.

Auswertung

Die benötigte Energie für den Phasenübergang von flüssig nach gasförmig wird aus der Temperatur gezogen, so dass diese sinkt. Ein Kühlungseffekt tritt auf, der vom Schwitzen als Alltagsphänomen bekannt ist.

Sicherheitshinweise

Bei Arbeiten mit kochenden Wasser können bei unsachgemäßer Handhabung Verbrühungen auftreten. Es ist darauf zu achten, dass beim Überbrücken der Abschaltautomatik des Wasserkochers sich noch Wasser im Kocher befindet.

Siehe auch

Als einleitende Experimente bieten sich folgende an

• Wasser-Dampf-Regen
• Eis-Wasser-Wasserdampf

und für Weiterverfolgung des Themas:

• Wärmekapazität einer Pizza
• Der Taschenwärmer

Um die Schwierigkeiten des Messens und Fehlerquellen noch einmal zu beleuchten, sei auf Eichung eines Thermometers verwiesen:

• Wasserthermometer