Die 3 Arten des Wärmetransports

Die 3 Arten des Wärmetransports
Kurzbeschreibung
Einführung in die drei Arten des Wärmetransports mittels Versuchen
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Doppeljahrgangstufe 7/8
Basiskonzept:	Energie
Sonstiges
Durchführungsform	Demonstrationsexperiment, Schüler*innen-Experiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	5
Anspruch des Aufbaus	leicht bis mittel
Informationen
Name:	Michael Rosenberger
Kontakt:	rosenbem@student.hu-berlin.de
Uni:	{{{Uni des Autors}}}
Betreuer*in:	Wiebke Musold

Im vorliegenden Artikel sollen die 3 Arten des Wärmetransports, mit Versuchen für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe 1, sehbar, fühlbar und damit begreifbar gemacht werden. Die SuS sollen anhand der Experimente Wärme als Form von Energie kennenlernen. Es sollen Alltagserfahrungen der SuS durch Experimente erklärt werden. Zu jeder Art des Wärmetransports werden Versuche dargestellt, die sich großteils sowohl als Demonstrationsexperiment als auch als Schülerversuch eignen.

Didaktischer Teil

Eine gute Möglichkeit die Experimente in der Schule durchzuführen stellt die Methode, Lernen an Stationen dar. Sie hat den Vorteil, dass die SuS Schwerpunkte auf ihre eigenen Interessen setzen können. Also Teilaspekten einer Station, welche für sie interessanter sind, mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Als Lehrender nimmt man eher eine passive Expertenrolle ein und steht für Fragen bereit, ohne ständig das Geschehen steuern zu müssen. An den einzelnen Stationen werden physikalische Sachverhalte teilweise fühlbar oder sichtbar gemacht und Alltagsvorstellungen der SuS werden aufgegriffen und mittels der Versuche erklärt. Die hohe Anzahl an möglichen Aufgabenstellungen zu den Versuchen (Aufstellen von Hypothesen und vergleichen mit tatsächlichen Resultaten, Aufstellen von Messungen, Protokollieren des Gefühlten und Gesehenen, Anfertigung von Skizzen der Versuchsaufbauten...) ermöglicht einen abwechslungsreichen Unterricht.

Im folgenden sollen die einzelnen Versuche didaktisch begründet und mögliche Ergänzungen aufgezeigt werden.

Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien:
Im Selbstversuch können die SuS die Wärmeleitfähigkeit von Materialien vergleichen und damit herausfinden welche sich gut als Dämm bzw. Kühlmaterial eignen. (Vernetzung: Lebensraum) Es ist bei diesem Versuch auch gut möglich, die einzelnen Stäbe zu berühren und so die unterschiedlich schnelle Wärmeausbreitung in den verschiedenen Materialien zu fühlen. Die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit von Metallen, kann mit deren elektrischer Leitfähigkeit in Bezug gesetzt werden, um Modellvorstellungen zu vernetzen. Im Bezug auf den Versuch "Kerze löschen durch Wärmeabfuhr", kann besprochen werden, warum eine Kupferspule besonders gut geeignet ist, um die Kerze zu löschen.

Kerze löschen durch Wärmeabfuhr:
Die SuS können ein Gefühl dafür bekommen, wie man einer physikalisch/chemischen-Reaktion Wärme/Energie entziehen kann. Dabei sollte darauf eingegangen werden, dass die Flamme im Versuch nicht erstickt wird. Das Experiment kann vor allem im Bezug auf das Experiment: "Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien" auch mit Spulen verschiedenen Materials durchgeführt werden.

Konvektion im Aquarium:
Die Konvektion, als Folge von Dichteunterschieden, wird in diesem Experiment sichtbar gemacht. Dabei ist darauf zu achten, dass die Analogie zu anderen Fluiden, wie etwa Luft, auf keinen Fall selbstverständlich ist. Das Experiment bietet sich auch an, um auf die Begriffe Dichte und Auftrieb, auch im Bezug auf das naive Teilchenmodell einzugehen.
Eine Andere Möglichkeit die Konvektion im Aquarium zu zeigen, finden Sie unter folgendem Link: Konvektion im Aquarium. Darin wird mittels einer Trennwand kaltes und warmes Wasser, in je eine Hälfte des Aquariums gefüllt. Das kalte und das warme Wasser sind unterschiedlich gefärbt, so kann man nach dem Entfernen der Trennwand erkennen, wie sich das kalte unter das warme Wasser schichtet.

Konvektion im Zirkulationsrohr:
Auch in diesem Versuch wird die Konvektion sichtbar gemacht. Anhand dieses Versuchs können Vorstellungen geschaffen werden, wie sich beispielsweise warme und kalte Luft im Raum vermischt. Auch der Heizkreislauf im Haus und wie die Wärme vom Keller in die oberen Stockwerke kommt kann damit erklärt werden.

Absorption der Wärmestrahlung:
Anhand dieses Versuchs kann die Alltagserfahrung, dass man in dunkler Kleidung schneller schwitzt, wenn die Sonne scheint, erklärt werden. Die Begriffe Reflexion, Absorption und Emission können im Bezug auf den Versuch eingeführt beziehungsweise wiederholt werden. Der Versuch eignet sich auch gut, um die SuS selbst Messungen machen zu lassen, um dabei selbst festzustellen, inwiefern sich die Entfernung zur Lampe oder die Helligkeit der Beschichtung auf die Temperaturänderung auswirkt. Problematisch bei dem Versuch ist, dass die SuS einfach glauben müssen, dass die Luft als Trägermedium nicht notwendig ist.

Will man den Versuch zu einem etwas aufwendigeren Mess-Experiment ausweiten, so bietet sich der Versuch Wärmestrahlung an. Außerdem zu empfehlen ist der Versuch Thermospektrum einer Lampe. In ihm wird mittels einer Thermosäule gezeigt, dass im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, am meisten Wärmeenergie gemessen werden kann.

Wärmeleitung

Versuchsanleitung: Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien

Aufbau

Benötigte Materialien:

• Stäbe aus verschiedenen Materialien (z.B. Kupfer, Aluminium, Messing, Stahl, Kunststoff)
• Halterung für Stäbe
• Kerze
• Behälter für heißes Wasser

Abb. 1: Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien

Durchführung

In diesem Experiment wird die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien gezeigt. Dazu werden Stäbe unterschiedlichen Materials (Kupfer, Aluminium, Messing, Stahl), in konstanten Abständen mit Wachstropfen versehen. Dabei ist darauf zu achten, dass sich die Wachstropfen bei allen Stäben in gleichen Abständen befinden. Die Stäbe werden dann mit einem Ende in ein Bad mit möglichst heißem Wasser eingetaucht. Mit einer Stoppuhr wird nun festgehalten, nach wie langer Zeit die Wachstropfen von den einzelnen Stäben abschmelzen.

Ergebnisse

Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien

Wachskugel Nr.	Kupfer	Aluminium	Messing	Stahl
1	(40±20)s	(60±20)s	(120±20)s	(190±20)s
2	(70±20)s	(120±20)s	(240±20)s
3	(120±30)s	(200±30)s
4	(160±30)s	(230±40)s
5	(210±40)s	(310±40)s

Anmerkung: Die Messunsicherheit ergibt sich aus der aufgerundeten Standardabweichung von drei Messdurchläufen

Auswertung

Die Messunsicherheiten aus Tabelle 1 ergeben sich aus den aufgerundeten Standardabweichungen aus drei Messdurchläufen. Die relative große Unsicherheit, lässt sich vor allem dadurch erklären, dass es sehr schwierig ist, überall gleich große Wachstropfen aufzutragen. Es bleibt jedoch eindeutig ersichtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit der Materialien stark unterschiedlich ist.

Versuchsanleitung: Kerze löschen durch Wärmeabfuhr

Aufbau

Abb. 2: Konvektion im Aquarium.

Benötige Materialien:

• Kerze
• Kupferdraht

Durchführung

Der Kupferdraht wird zu einer Spule mit etwa 7mm Durchmesser und 2cm Länge gebogen. Es ist darauf zu achten, dass zwischen den Windungen etwas Platz bleibt, um Luftzufuhr für die Flamme zu gewährleisten. Ansonsten könnte argumentiert werden, dass die Flamme einfach erstickt wurde. Danach wird die Spule langsam über die Flamme der Kerze gesenkt.

Ergebnisse und Auswertung

Die Kupferspule leitet Wärme ab, wodurch die Zündtemperatur des Gases unterschritten wird. Solange man die Spule nicht ganz bis zur Kerze absenkt, bleibt die Zündtemperatur im unteren Bereich erhalten und die Kerze brennt weiter, auch wenn man nun die Spule entfernt. Man kann aber beobachten, dass innerhalb der Spule die Flamme verschwindet. Senkt man die Spule bis zur Kerze ab, ist nirgendwo die Temperatur hoch genug, um den Brandvorgang aufrecht zu erhalten. Die Kerze erlischt!

Konvektion

Versuchsanleitung: Konvektion im Aquarium

Abb. 3: Konvektion im Aquarium.

Aufbau

Benötigte Materialien:

• Aquarium
• Zwei Reagenzgläser (großer Durchmesser)
• Zwei Gummistopfen mit Loch (selber Durchmesser wie Reagenzgläser)
• Roter und blauer Farbstoff
• Wasserkocher
• Eiswürfel

Durchführung

Ein Aquuarium wird mit Wasser befüllt und so lange gewartet, bis das Wasser auf etwa Zimmertemperatur ist. Eines der Reagenzgläser wird mit kochendem Wasser und rotem Farbstoff befüllt. In das andere Reagenzglas werden zwei Eiswürfel und blauer Farbstoff gegeben und der Rest mit Wasser aufgefüllt. Anschließend werden beide mit einem Gummistopfen mit Loch verschlossen. Dabei ist zu beachten, dass keine Luft in den Reagenzgläsern miteingeschlossen wird. Nun wird das Reagenzglas mit dem kalten Wasser in einem etwa 10cm hohem Stativ befestigt und anschließend beide Reagenzgläser in das Aquarium gestellt. Zur besseren Sichtbarkeit des Ergebnisses, sollte eine weiße Blende auf der Hinterseite des Aquariums aufgestellt werden.

Ergebnisse und Auswertung

Die Blau gefärbte, kalte Flüssigkeit, sinkt aufgrund der höheren Dichte ab. Die rote, heiße Flüssigkeit, steigt aufgrund der geringeren Dichte auf.

Versuchsanleitung: Konvektion im Zirkulationsrohr

Abb. 4: Konvektion im Zirkulationsrohr

Abb. 5: Konvektion im Zirkulationsrohr

Aufbau

Verwendete Materialien:

• Zirkulationsrohr
• Halterung für Zirkulationsrohr
• Bunsenbrenner
• Farbstoff
• Weißer Hintergrund (Papier, Whiteboard)

Durchführung

Das Zirkulationsrohr wird mit Wasser vollständig befüllt und mit einer Halterung so hoch fixiert, dass darunter noch ein Bunsenbrenner Platz hat. Anschließend wird der Brenner aktiviert und in die Öffnung des Zirkulationsrohrs etwas Farbstoff eingebracht. Nach einer Weile, kann der Brenner auf die andere untere Ecke des Zirkulationsrohrs gestellt werden (siehe Abb. 4). Wird das Experiment als Demonstrationsexperiment durchgeführt, sollte ein weißer Hintergrund verwendet werden, um eine gute Sichtbarkeit des Resultats zu gewährleisten.

Ergebnisse und Auswertung

Die Flüssigkeit über dem Bunsenbrenner wird erwärmt, wodurch sich die Dichte verringert. Das führt zu einem Aufsteigen der Flüssigkeit über dem Brenner. Da das Rohr geschlossen ist kommt es zur Zirkulation der Flüssigkeit. Stellt man den Bunsenbrenner an die andere untere Ecke des Rohrs, wird die Zirkulationsrichtung umgekehrt.

Wärmestrahlung

Versuchsanleitung: Absorption der Wärmestrahlung

Abb. 6: Absorption der Wärmestrahlung

Aufbau

Benötigte Materialien:

• Rotlichtlampe
• Zwei Bechergläser
• Silberpapier
• Kerze
• Zwei Temperaturfühler

Durchführung

Das Silberpapier wird so zurecht geschnitten, dass es dann um die beiden Bechergläser gewickelt werden kann. Vor dem Umwickeln wird jedoch eines der beiden Stücke mit der Kerze berußt, bis es möglichst gleichmäßig schwarz ist. Danach werden die Bechergläser mit gleicher Menge Wasser befüllt und gewartet bis das Wasser auf Zimmertemperatur ist. Anschließend werden die Becher in gleichem Abstand zur Lampe positioniert, jeweils ein Temperaturfühler in jedes Becherglas gelegt und die Lampe eingeschalten.

Ergebnisse und Auswertung

Liest man nun in regelmäßigen Abständen die Temperatur des Wassers in den Bechergläsern ab, so zeigt sich, dass jenes mit der berußten Silberfolie einen schnelleren Temperaturanstieg aufweist. Das Becherglas mit der stark reflektierenden Folie erwärmt sich also weniger schnell. Abbildung 7 zeigt eine Beispiel-Messung bei einem Abstand von 20cm.

Abb. 7: Absorption der Wärmestrahlung

Siehe auch

Wärmestrahlung
Wärmeleitung
Konvektion im Aquarium
Thermospektrum einer Lampe