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Die historische Entwicklung der Wärmekraftmaschinen in den Bereichen Dampfmaschine, Heißluftmotor & Verbrennungsmotor

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Die historische Entwicklung der Wärmekraftmaschinen in den Bereichen Dampfmaschine, Heißluftmotor & Verbrennungsmotor
Experimentierreihe.jpg

Titelbild: Übersicht der vorgestellten Experimente

Kurzbeschreibung
Experimentierreihe zur historischen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen in den Bereichen Dampfmaschine, Heißluftmotor und Verbrennungsmotor
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek II
Basiskonzept: Energie, Materie
Sonstiges
Durchführungsform Experimentierreihe mit Demonstrations- und Schüler_innen-Experimenten
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 7
Anspruch des Aufbaus leicht bis mittel
Informationen
Name: Laura-Jane Habermann
Kontakt: habermal@math.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Tobias Ludwig
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Als Heron von Alexandria im 1. Jahrhundert n. Chr. seinen sogenannten „Heronsball“ als physikalische Spielerei und zur Freude der damaligen Herrscher des griechischen Reiches entwickelte, konnte er wohl kaum ahnen, dass damit der Beginn der Nutzung thermischer Energie in der Physik eingeleitet wurde. Jahrhunderte lang experimentierten und entwickelten bekannte Wissenschaftler an Versuchsaufbauten, um mittels thermischer Energie mechanische Arbeit bereit zu stellen. Dabei änderten sich im Laufe der Zeit die Beweggründe für solche Entwicklungen, die später den Namen Wärmekraftmaschinen erhalten sollten, stark. Dienten sie anfangs (etwa bis zur Zeit der Renaissance im Jahr 1700) noch der Unterhaltung und Freude der Oberschicht (z.B. in Form von Wasserrädern und Türöffnern), so wurde damit nach und nach das Leben der Menschen signifikant verändert und beeinflusst. Mechanische Arbeit die zunächst durch Sklaven und Nutztiere verrichtet wurde, konnte im Laufe der Zeit durch bereitgestellte Maschinen vereinfacht und später ganz übernommen werden (vgl. Wilke [1] (1996), S. 264).

Abb.1: Zeitlicher Überblick der Epochen

An diesem Punkt soll der nachfolgende Artikel ansetzen: Es wird eine Experimentierreihe zur historischen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen nach historisch-genetischem Vorgehen vorgestellt, welche sich in die Bereiche Dampfmaschine, Heißluftmotor und Verbrennungsmotor aufgliedert. Dabei sollen weniger die zur Anwendung kommenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten, sondern viel mehr der historische Aspekt der Weiterentwicklung betrachtet und diskutiert werden.


Didaktischer Teil

Schnell bildet sich nach den soeben genannten Informationen im Einführungstext innerhalb unserer Gesellschaft eine Vorstellung und ein prägnantes Bild der damaligen Wissenschaftler: Sie werden als genial, hochintelligent oder sogar als Übermenschen angesehen (vgl. Höttecke [2] (2001), S. 8). Wie hätten sie sonst zu derartigen Entwicklungen und Erkenntnissen kommen können? Ihre experimentelle Tätigkeit wird auf das Formulieren von Beobachtungssätzen eingeschränkt und ihr Wissen erscheint als "unveränderlich und wahr" (vgl. Höttecke (2001), S. 7). Doch der Schein trügt - technische Weiterentwicklungen sind oft mühsam, langwierig und erfolglos. Viele eingeschlagene Wege führen ins nichts oder zu Komplikationen und Problemen. Die Aufnahme dieses Themas in den Physikunterricht soll im nachfolgenden Text aus fachdidaktischer Sicht diskutiert und begründet werden.

Noch immer besitzt der fachsystematische bzw. formal-orientierte Physikunterricht einen starken Bezugspunkt in den Klassenzimmern. Gerade in der Sekundarstufe II ist dies als Anlehnung und Vorbereitung für das spätere universitäre Vorgehen zu beobachten – der Unterricht besitzt eine Qualifizierungsfunktion (vgl. Höttecke (2001), S. 5). Die fachsystematische Struktur meint dabei ein grundlegendes, methodologisches Verfahren, wie beispielsweise mathematische Theoriebildung oder Experimente mit disziplinspezifischen Instrumenten (Oszilloskop, Laser). Dieses soll komplementär zur Fachstruktur sein, die sich in der Sammlung von Begriffen, Methoden, Theorien, Modellen und Beispielexperimenten zeigt und den theoretischen Kernbereichen der Physik (Mechanik/Thermodynamik/Optik/etc.) zuzuordnen ist. Damit erhalten die Schülerinnen und Schüler zwar ein allgemeines Begriffs- und Klassifizierungsschema, jedoch kein umfassendes und verstehbares Bild von Physik (vgl. Höttecke (2001), S. 6). Das „mythische“ Verständnis der Naturwissenschaften (vgl. Höttecke (2001), S. 21) (historischen Prozessen oder beteiligten Personen wird keine Betrachtung geschenkt) wird dabei noch begünstigt. Zudem wird der Fachsystematik nach Höttecke eine sehr einseitige Vermittlung von Wissen vorgeworfen sowie die Ignoranz möglicher Interessen-Anteile der Schülerinnen und Schüler (vgl. Höttecke (2001), S. 5).

Nach einer Studie von Solomon et.al. (1996) (vgl. Höttecke (2001), S. 44), welche sich mit den bestehenden Schülervorstellungen bezüglich der Natur der Naturwissenschaften beschäftigte und an 14 bis 15-jährigen Schülerinnen und Schülern durchgeführt wurde, zeigte sich, dass innerhalb des Beginns der Schulzeit eine cartoonartige Vorstellung bezüglich der Wissenschaften besteht: Entdeckungen passieren demnach „aus dem Zufall“ heraus und es besteht eine Tendenz zum sogenannten naiven Realismus, wobei das naturwissenschaftliche Wissen als Kopie der Realität verstanden wird (vgl. Höttecke (2001), S. 54).

Es zeigte sich jedoch, dass mit zunehmender Schulzeit dieses Verständnis der Schülerinnen und Schüler beeinflussbar und verschiebbar ist, hin zu einem stärkeren Wissenschaftsverständnis. Dies kann u.a. durch die Integration von historisch-genetischen Unterrichtssequenzen umgesetzt werden. Dieser Aspekt folgt nach Wagenschein(…) der Erkenntnisgewinnung in der Geschichte der Naturwissenschaften“ (vgl. Kircher [3] (2009), S. 172) und meint u.a. die Betrachtung der Arbeitsweisen der Forschenden, die Weiterentwicklung bestehender Theorien, sowie die Verflechtung mit anderen Lebensbereichen (Gesellschaft, Kultur, Religion & Ökonomie). Hierbei soll nach Wagenschein jedoch nicht zu komplex auf die detaillierte Geschichte der Physik eingegangen werden, sondern vielmehr die Historie als „ein Vehikel betrachtet werden, um auf Seiten der LehrerInnen und der SchülerInnen eine adäquate Haltung gegenüber den Naturwissenschaften zu erzeugen“ (vgl. Höttecke (2001), S. 112). Der Lerngegenstand soll nicht als vorgefunden, sondern als noch zu erforschend bzw. zu entwickelnd und zu verstehend aufgefasst werden.

Auf dieser fachdidaktischen Grundlage wurde eine Experimentierreihe zur historischen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen für die Sekundarstufe II entwickelt, welche als ein Bestandteil innerhalb des Wahlthemenbereichs Thermodynamik verwendet werden kann. Hierbei sollten als theoretische Grundlage der Schülerinnen und Schüler bereits die Thermodynamischen Hauptsätze und Kreisprozesse behandelt worden sein und die Experimentierreihe zur Anwendung und Vertiefung des Wissens dienen.

Versuchsanleitung

Im Nachfolgenden befinden sich die Versuchsanleitungen der einzelnen Experimente der Versuchsreihe in chronologischer Reihenfolge gemäß ihrer Entwicklung.

(1) Der Dampfkreisel

Abb.2: Heron v. Alexandria mit historischer Skizze der Äolipile

- Nach der Äolipile des Heron - 1. Jhd. n. Chr. -

Aufbau

Verwendete Materialien:

  • Dampfkreisel der Firma AstroMedia, Art.Nr.: 418.DKR
Abb.3: Dampfkreisel der Firma AstroMedia
  • 1 Teelicht mit Streichhölzern/Feuerzeug
  • 1 Aquarium mit Wasser

Der Dampfkreisel wird gemäß beiliegender Bauanleitung zusammengesteckt, ein Teelicht muss zusätzlich hinzugefügt werden (vgl. Abb.3).

Durchführung

Vor Beginn des Experiments wird das vorhandene Kupferrohr mit Wasser gefüllt und der Dampfkreisel in diesem Zustand in das Aquarium gesetzt. Danach stellt man das Teelicht mittig zwischen die Kupferrohre auf die Korkplatte und zündet es an.

Ergebnisse

Nach wenigen Sekunden beginnt sich der Kreisel zu drehen, unter Betrachtung aus der Seitenperspektive sind Wasserströme an den Kupferenden zu erkennen.

Auswertung

Nachdem die brennende Kerze unterhalb der Kupferspirale positioniert wurde, beginnt sich das innerhalb des Röhrchens befindende Wasser zu erwärmen, bis es den Siedepunkt erreicht und anschließend verdampft. Wasserdampf hat ein deutlich höheres Volumen als Wasser und verdrängt somit das restliche Wasser nahezu blitzartig aus dem Rohr. Da beide Rohrenden unterhalb der Korkplatte gemäß des Bausatzes entgegengesetzt umgebogen sind, führt der entstehende Rückstoß zu einer Drehbewegung des gesamten Kreisels. Da der Wasserdampf bei Ausbreitung im Röhrchen jedoch sehr schnell wieder kondensiert, verringert sich sein Volumen entspechend und der entstehende Unterdruck saugt erneut Wasser über die Rohrenden an. Der Dampfkreisel dreht sich so lange, wie eine Wärmezufuhr (in Form des Teelichts) vorhanden ist (vgl. Hünig [4], S. 1-2).

Historischer Kontext:

Der Dampfkreisel wird im weitesten Sinne als erste bekannte Dampfmaschine bezeichnet und geht auf den griechischen Mathematiker Heron von Alexandria zurück. Dessen sog. Heronsball (auch Äolipile, vgl. Abb.2) bestand aus einer horizontal gelagerten Metallkugel, welche an den Seiten Metalldüsen aufwies und über dünne Metallrohre mit einem Wasserkessel verbunden war. Erwärmte sich der Wasserkessel durch die darunter liegende Feuerstelle, konnte über die Metallrohre der entstehende Wasserdampf in die Kugel geleitet werden und trat an den seitlichen Metalldüsen aus, mit dessen Rückstoß die Kugel in Drehung versetzt wurde (vgl. Wilke (1996), S. 265).

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Video1: Drauf- und Seitenansicht des Dampfkreisels









(2) Saverysche Dampfpumpe

Abb.4: Thomas Savery mit historischer Skizze seiner Dampfpumpe

- Nach Thomas Savery - 1698 -

Aufbau

Verwendete Materialien:

  • 1 Erlmeyerkolben 300ml mit Ansatz + Stopfen (1)
  • 1 Rundkolben 250ml + Stopfen (doppelte Bohrung) (2)
  • 2 Bechergläser 300ml-500ml (3)
  • 2 Glasrohre (à 15cm) + Rohrverbindungsstücke (4)
  • 2 Glasrohre (à 8cm mit 90° Bogen) (5)
  • 1 T-Stück (Glas) (6)
  • 2 Gummischläuche (à ca. 30cm) (7)
  • 2 Schlauchklemmen (8)
  • Stativmaterial (9)
  • 1 Gasbrenner (10)

Der Erlmeyerkolben (1) wird mittels Stativmaterial (9) auf einer Höhe befestigt, unter der ein handelsüblicher Gasbrenner (10) als Wärmequelle gestellt werden kann. An den Ansatz des Kolbens befestigt man eines der etwa 15cm-langen Glasrohre (4), welches über ein Glasrohr mit 90°Bogen und 8cm-Länge (5) in den Rundkolben (2) geleitet wird. Dazu dient ein zuvor am Rundkolben doppelt-gebohrter Stopfen (vgl. Abb.7). Auch der Rundkolben wird mittels Stativmaterial auf einer ähnlichen Höhe des Erlmeyerkolbens befestigt, so dass das längere Glasrohr etwa parallel zur Grundauflage verläuft. Das kleinere Glasrohr sollte dabei etwa 5cm in den Rundkolben hineinragen. Das zweite Glasrohr mit 90°-Bogen (5) wird analog dazu durch die 2. Bohrung des Stopfens geschoben und das herausstehende Ende am 2. Glasrohr von 15cm Länge (4) befestigt. Auch dieses sollte etwa parallel zur Auflagefläche verlaufen. Nun wird am anderen Ende des Glasrohres ein T-Stück (6) befestigt und an die dadurch enstehenden Enden die Gummischläuche von 30cm Länge (7) befestigt. Der untere Schlauch wird in ein Becherglas (3) etwa auf Höhe der Auflagefläche gelegt und bei Bedarf zur Stabilität etwas befestigt. Der obere Schlauch (7) wird analog dazu in ein Becherglas (3) geführt, welches mittels Stativmaterial in einigem Höhenunterschied (ca. 30cm) zur Auflagefläche befestigt wird (vgl. Abb. 5 & 6).

Abb.5: Schematische Skizze des Versuchsaufbaus mit verwendeten Materialien
Abb.6: Originalaufbau der Savery-Dampfpumpe
Abb.7: Nahaufnahme des Rundkolben-Aufbaus












Durchführung

Vor Experimentierbeginn wird der Erlmeyerkolben (1) mit etwa 250ml Wasser gefüllt (zur besseren Visualisierung optional gefärbt) und mittels des Stopfens verschlossen. Auch das untere Becherglas (3) wird mit etwa 400ml Wasser gefüllt und der untere Gummischlauch (7) in das Wasser hineingelegt. Daraufhin schließt man die untere Schlauchklemme (8) und lässt die obere geöffnet. Das obere Becherglas bleibt, ebenso wie der Rundkolben, leer. Nun wird der Gasbrenner (10) unter den Erlmeyerkolben gestellt und eine rauschende Flamme eingestellt. Nachdem sich das Wasser im Erlmeyerkolben ausreichend erwärmt hat und Wasserdampf aus dem oberen Gummischlauch in das obere Becherglas dringt, entfernt man die Wärmequelle. Die obere Schlauchklemme wird geschlossen und unmittelbar(!) darauf die untere Schlauchklemme geöffnet.

Danach wird die untere Schlauchklemme wieder geschlossen und die obere geöffnet sowie der Gasbrenner erneut mit rauschender Flamme unter den Erlmeyerkolben gestellt.

Sicherheitshinweis: ACHTUNG, beim Experimentieren mit offenem Feuer besteht stets Verbrennungsgefahr! Den Aufbau nie unbeaufsichtigt im Raum bei brennender Flamme stehen lassen. Bei siedendem Wasser in abgeschlossenen Gefäßen besteht Explosionsgefahr!

Ergebnisse

Nachdem die Wärmequelle unter dem Erlmeyerkolben entfernt wurde, die obere Schlauchklemme geschlossen und die untere Klemme geöffnet wurde, bewegt sich das Wasser des unteren Becherglases innerhalb weniger Sekunden über den Gummischlauch und die Glasrohre in den Rundkolben und füllt diesen. Nach Verschließen der unteren Klemme und Öffnen der Oberen sowie der erneuten Wärmezufuhr durch den Gasbrenner, gelangt das Wasser aus dem Rundkolben über die Glasrohre und den oberen Gummischlauch in das obere Becherglas und füllt dieses.

Auswertung

Mittels der Wärmezufuhr durch den Gasbrenner beginnt das Wasser innerhalb des Erlmeyerkolbens zu sieden und Wasserdampf breitet sich über die Glasrohre, den Rundkolben, den oberen Gummischlauch bis hin zum oberen Becherglas aus, so dass das gesamte vorhandene Reservoir mit Dampf gefüllt ist. Wird diese Dampfzufuhr durch Wegnahme des Gasbrenners nun unterbrochen, kühlt sich der Wasserdampf binnen weniger Sekunden ab und beginnt zu kondensieren. Da der Austrittsweg des Dampfes über das obere Becherglas durch die obere Schlauchklemme geschlossen wurde, bildet sich ein Unterdruck im Reservoir und das Wasser des unteren Becherglases wird beim Öffnen der unteren Schlauchklemme in den Kolben gesaugt (Druckausgleich). Wird eine erneute Dampfzufuhr durch Wiedereinsatz des Gasbrenners ermöglicht, drückt der Wasserdampf das zuvor in den Rundkolben geleitete Wasser über die Glasrohre und den Gummischlauch in das obere Becherglas, wenn zuvor die untere Schlauchklemme geschlossen und die Obere geöffnet wurde. Damit wurde das Wasser über den Höhenunterschied der beiden Bechergläser transportiert und mechanische Arbeit verrichtet.

Historischer Kontext:

Erst viele Jahrhunderte nach Herons Erfindung, mit Ende des 17. / Beginn des 18. Jahrhunderts, setzte die historische Entwicklung der Wärmekraftmaschinen in Europa ein. Vor allem im damaligen England wurden Entwicklungen zahlreicher Wirtschaftszweige zur Optimierung der Erträge vorgenommen. Besonders im Kohle- und Erzbergbau sehnte man sich nach technischen Veränderungen, da die Schächte mit zunehmender Tiefe immer mehr abzupumpendes Wasser aufwiesen und diese Arbeit durch Nutztiere oder Arbeiter übernommen wurde. Der englische Ingenieur-Offizier Thomas Savery meldete im Jahr 1698 ein Patent für seine Savery-Dampfpumpe an (vgl. Abb.4), mit welcher viele Jahre zuverlässig und mit großem Effekt die Schächte ausgepumpt wurden (vgl. Wilke [5] (1996), S. 323-325).



(3) Newcomensche Dampfmaschine

Abb.8: Thomas Newcomen mit historischer Skizze der Newcomen'schen Dampfmaschine

- Nach Thomas Newcomen - 1705 -

Aufbau

Verwendete Materialien:

  • 1 Reagenzglas 50ml + Stopfen (einfache Bohrung) (1)
  • 1 Kolbenprober 100ml (2)
  • 1 Kurbelwelle (3)
  • 1 Messzylinder 250ml (4)
  • Stativmaterial (2 Stativfüße, 2 Stangen, 2 Klemmen, 3 Muffen) (5)
  • 1 Massestück 100g (6)
  • 1 Gasbrenner (7)
  • 1 Becherglas mit Eiswasser (8)
  • Faden (ca. 1m Länge) (9)
  • optional: Färbemittel für Wasser (bessere Visualisierung)

Das Reagenzglas (1), in welches ca. 30ml Wasser gefüllt wurden, wird mittels Stopfen verschlossen und über die Bohrung mit der Kolbenprober-Spitze (2) verbunden. Sowohl das Reagenzglas, als auch der Kolbenprober werden mittels Stativmaterial (5) in einer Höhe befestigt, so dass ein handelsüblicher Gasbrenner (7) unter das Reagenzglas gestellt werden kann. An das obere Ende des Kolbenprobers wird ein Faden (9) gebunden. Die Kurbelwelle (3) wird ebenfalls mittels Stativmaterial auf einer etwas größeren Höhe als der Kolbenprober befestigt und der Faden darauf entlanggelegt. An das zweite Ende des Fadens wird das Massestück (6) befestigt und in den Messzylinder (4) geführt, so dass die derzeitige Höhe (Nulllage) der Masse mittels des Zylinders eindeutig ablesbar ist und nicht den Boden berührt (es wird innerhalb der Durchführung Raum nach unten benötigt, eventuell Korrektur der vorgegebenen Fadenlänge). Diese Nulllage kann optional zur einfacheren Auswertung markiert werden (vgl. Abb. 9 & 10).

Abb.9: Schematische Skizze der verwendeten Materialien
Abb.10: Originalaufbau der Newcomen'schen-Dampfmaschine

















Durchführung

Das Reagenzglas mit ca. 30ml Wasserinhalt wird mittels des Gasbrenners bis zum Siedepunkt erwärmt. Nach einer gewissen Zeit wird die Wärmezufuhr unterbrochen und das Reagenzglas mittels Eintauchen in ein Becherglas mit Eiswasser abgekühlt.

Ergebnisse

Während der Wärmezufuhr durch den Gasbrenner ist ein Heben des Kolbenprobers (vgl. Video 2) und somit ein Senken des Massestückes auf der anderen Seite der Kurbelwelle zu beobachten. Unter Verwendung des Eiswassers senkt sich der Kolbenprober wieder und das Massestück steigt, bis zu seiner Ausgangslage.

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Video2: Heben des Kolbenprobers während des Siedens

Auswertung

Durch das Sieden des Wassers innerhalb des Reagenzglases bildet sich Wasserdampf, welcher den Kolbenprober hebt. Da der Kolbenprober über den Faden und die Kurbelwelle mit dem Massestück auf der anderen Seite verbunden ist, senkt sich dieses im selben Moment. Wird das Reagenzglas mit dem darin enthaltenen Wasser und Wasserdampf über ein Becherglas mit Eiswasser abgekühlt, beginnt der Wasserdampf zu kondensieren. Es entsteht ein Unterdruck im Kolben, aufgrund des Druckausgleichs durch den Atmosphärendruck wird der Kolbenprober wieder nach unten gedrückt.

Historischer Kontext:

Die im Jahr 1705 von Thomas Newcomen entwickelte Newcomen'sche Dampfmaschine, welche auch als atmosphärische Dampfmaschine bezeichnet werden kann, da der atmosphärische Luftdruck die Arbeit verrichtet (vgl. Abb.8), wurde mehrere Jahre im englischen Bergbau als Wasserpumpstation verwendet. An Stelle des Massestückes (im Experiment) wurde ein Pumpenhahn an der Kurbelwelle (genauer: Balancier) befestigt und somit das Wasser gefördert. Nachteilig war jedoch der erhöhte Kohleverbrauch zur Beheizung, sowie die stetigen Kaltwassereinspritzungen. Allerdings wurden erstmals Dampfkessel und Zylinder im technischen Aufbau getrennt, was einen deutlichen Fortschritt für die Entwicklung der Dampfmaschinen bedeutete (vgl. Wilke [6] (1996), S. 351-355).



(4) Modell einer Hochdruckdampfmaschine

Abb.11: Modell einer Hochdruckdampfmaschine, Firma GASELAN

Aufbau

Verwendetes Modell:

  • GASELAN VEB Chemie- und Tankanlagenbau Fürstenwalde

Das Modell (vgl. Abb. 11) wird mittels elektrischen Kabelanschlusses betrieben. Zuvor wird über eine Öffnung etwa die Hälfte des Hauptzylinders mit Wasser befüllt.

Durchführung

Mittels Einschalten der Heizspirale wird das Modell in Betrieb genommen, wobei das vorhandene Ventil auf dem Hauptzylinder geschlossen wird. Ab einem Druck von ca. 2bar kann das Ventil vorsichtig geöffnet und dadurch die Leistung der Maschine gesteuert werden.

Ergebnisse & Auswertung

Nachdem ein Druck von etwa 2bar (sichtbar über eingebautes Barometer) im Hauptzylinder vorliegt und das Ventil geöffnet wird, bewegt sich ein kleiner Arbeitskolben, welcher mit dem Schwungrad der Dampfmaschine verbunden ist und dieses zum Drehen bringt. Es wird mechanische Arbeit verrichtet.

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Unterhalb des Hauptzylinders befindet sich eine Heizspule (blauer Kasten), welche sich nach dem Einschalten erwärmt und das Wasser zum sieden bringt.

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Video3: Funktionsweise der Modell-Dampfmaschine
So lange das Ventil geschlossen ist, füllt der entstehende Wasserdampf den Hauptzylinder und der Druck innerhalb des Zylinders steigt.

Nach dem Öfnnen des Ventils entweicht der Wasserdampf in Richtung eines Steuerzylinders, welcher den Dampf in Richtung eines Arbeitszylinders lenkt. Dabei strömt der Dampf zum einen in den linken und zum anderen in den rechten Bereich des Arbeitskolbens, wodurch eine Hin- und Herbewegung entsteht, die mittels einer Pleuelstange in eine Drehbewegung umgewandelt wird.

Historischer Kontext:

Dampfmaschinen kamen in vielen Bereichen der damaligen Zeit zum Einsatz: Im Schiffverkehr, Eisenbahnverkehr und der Wirtschaft. Ein immer größer werdendes Problem waren jedoch die scheinbar unvorhersehbaren Kesselexplosionen, welche zahlreichen Menschen das Leben kosteten (vgl. [7], leifiphysik)


Didaktische Anmerkungen zur Epoche der Dampfmaschinen

Wie eingangs im didaktischen Teil erwähnt, ist es empfehlenswert die vorgestellte Experimentierreihe als Vertiefungs- und Anwendungsbeispiel innerhalb des Physikunterrichts der Sekundarstufe II zu integrieren: Aufgrund des fachlichen Vorwissens der Schülerinnen und Schüler bietet sich am Ende der Bearbeitung der Experimente eine Betrachtung des Wirkungsgrades der einzelnen Erfindungen sowie deren Vergleich an, wobei auch quantitative Untersuchungen als optionale Vertiefung möglich sind.




(5)Stirlingmotor LD Didaktik

Abb.12: Robert Stirling mit historischer Skizze des Stirlingmotors

- Nach Robert Stirling - 1816 -

Aufbau

Verwendete Materialien: Der Firma Leybold Didaktik

  • Heißluftmotor Art.Nr. 388182 + fließender Wasseranschluss als Kühlung

Transformator:

  • U-Kern mit Joch
  • Spannvorrichtung
  • Netzspule (500 Windungen, 230V)
  • Kleinspannungsspule (50 Windungen)

Aufnahme p-V-Diagramm mittels CASSY-Lab:

  • Sensor-CASSY (524 010)
  • CASSY-Lab (524 200)
  • Stromquellen-Box (524 031)
  • B-Box (524 038)
  • Drucksensor (529 038)
  • Wegaufnehmer (529 031)
  • 2 Experimentierkabel
  • 1 Verbindungskabel (6-polig)
  • Angelschnur
  • 1 Schraubenfeder (5N, 0,25N/cm)

Der hier vorgestellte Versuch (vgl. Abb. 13 & 14) bezieht sich analog auf den Artikel Stirlingmotor als Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe und Kältemaschine , auf den an dieser Stelle für eine ausführliche Versuchsbeschreibung verwiesen wird. Die Nutzung von CASSY-Lab zur Aufnahme von p-V-Diagrammen wird empfohlen, um auch quantitative Experimente innerhalb der vorgestellten Experimentierreihe zu ermöglichen.

Abb.13: Originalaufbau des Heißluftmotors LD Didaktik
Abb.14: Nahaufnahme der Heizspule des Heißluftmotors
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Video4: Funktionsweise des Heißluftmotors LD Didaktik
















Auswertung

Historischer Kontext:

Der schottische Geistliche Robert Stirling hatte es sich zur Aufgabe gemacht, die gefährlichen Kesselexplosionen und den hohen Brennstoffverbrauch der Dampfmaschinen einzudämmen und entwickelte im Jahr 1816 den Stirlingmotor (vgl. Abb. 12). Diese sogenannten Heißluftmotoren besaßen ihren Höhepunkt im 19. Jahrhundert, wo sie in kleinen Maschinen, Luft- und Wasserpumpen verwendet wurden. Dabei leisteten sie einen hohen Anteil des Kraftbedarfs während der industriellen Revolution. Der letzte Stirlingmotor wurde im Jahr 1978 entwickelt (vgl. [8] stirlingmotor.com).



(6) Der Handstirlingmotor

Abb.15: Handstirlingmotor der Firma Inprosolar

Aufbau

Verwendete Materialien:

  • Handstirlingmotor der Firma Inprosolar, Art.Nr: 6565
  • 1 Kaffeetasse
  • heißes Wasser
  • Eis

Dem Handstirlingmotor liegt eine Bauanleitung bei.

Durchführung

Der Handstirlingmotor (vgl. Abb. 15) wird über eine Kaffeetasse mit heißem Wasser gestellt und auf seine Auflagefläche etwa 2 Esslöffel Eis gegeben. Es empfiehlt sich ein leichtes Andrehen der Scheibe zum Start.

Ergebnisse

Arbeits- und Verdrängerkolben bewegen sich sichtbar, das Schwungrad des Stirlingmotors dreht sich.

Auswertung

Befindet sich der Arbeitskolben am oberen Totpunkt, so bewegt sich der Verdrängerkolben abwärts und verdrängt die eingeschlossene Luft in Richtung der geheizten Unterseite des Stirlingmotors (heißes Wasser in Kaffeetasse). Dabei erwärmt sich die Luft, expandiert und treibt den Arbeitskolben wiederum nach unten, wodurch am Schwungrad mechanische Arbeit verrichtet wird. Dabei steigt der Verdrängerkolben wieder hoch und verdrängt die Luft in den kühleren Teil des Stirlingmotors (Eis). Es kommt zur Abkühlung und Komprimierung der Luft, wodurch der Arbeitskolben wieder steigt.

Dieses Schülerexperiment stellt eine Alternative oder Ergänzung zum Stirlingmotor LD Didaktik (5) dar.


Didaktische Anmerkungen zur Epoche der Heißluftmotoren:

Vor allem der Stirlingmotor wird in einem Großteil der vorhandenen Schulliteratur als Beispiel des Carnotschen Kreisprozesses angeführt und beschrieben. An dieser Stelle bietet sich die Möglichkeit mittels der vorgestellten Experimente das theoretische Vorwissen der Schülerinnen und Schüler am Experiment zu festigen und zu vertiefen, sowie einen Transfer zwischen Theorie und Praxis zu schaffen. Dabei ist es ebenso empfehlenswert die Grenzen eines Modells bzw. Gedankenexperimentes, so wie es der Carnot-Prozess ist, zu besprechen und zu diskutieren in welcher Form sich diese auch quantitativ zeigen lassen. Innerhalb des fachlichen Themenbereiches können auch weitere bekannte Kreisprozesse besprochen und mit dem Carnotschen Kreisprozess verglichen werden.



(7) Luft-Gas-Gemisch Explosion

Abb.16: Nicolaus August Otto mit historischer Zeichnung des Otto-Motors

- Teil des Otto-Motors von Nicolaus August Otto - 1884 -

Aufbau

Verwendete Materialien:

  • 1 Chips-Dose
  • Korkenstücke
  • Waschbenzin
  • Wunderkerzen + Feuerzeug

In die leere Chips-Dose wird am unteren Rand ein dünnes Loch als Zündloch gebohrt. Die Korkenstücke werden in die Dose gelegt (vgl. Abb. 17).

Durchführung

Es werden etwa 6-8 Tropfen Waschbenzin in die Chips-Dose gegeben, daraufhin der Deckel geschlossen und das Zündloch zugehalten. Danach wird die Dose für 1 bis 2min hin- und hergeschwänkt, damit sich Luft und Benzin vermischen können. Eine Wunderkerze wird angezündet und die Chips-Dose auf einen festen Untergrund gestellt. Die brennende Wunderkerze wird durch das Zündloch in die Chips-Dose gesteckt.

Sicherheitshinweis: ACHTUNG beim Umgang mit Waschbenzin ist stets größte Aufmerksamkeit geboten. Die Konzentration sollte nicht überschritten werden. Verbrennungsgefahr!

Abb.17: Vorbereitete Chips-Dose

Ergebnisse

Nach wenigen Sekunden ertönt ein (lauter) Knall und der Deckel der Chips-Dose fliegt weg.

Auswertung

Während des Hin- und Herschwenkens der luftdicht-abgeschlossenen Dose bildet sich ein Luft-Benzin-Gemisch, welches durch Anzünden der Wunderkerze explodiert. Dieses Experiment stellt den 3. Takt des 4-Takt-Otto-Motors dar, den Arbeitstakt: Bei größter Verdichtung wird das Luft-Benzin-Gemisch mittels Zündkerze explosionsartig verbrannt. Dabei wird der Kolben nach unten gedrückt und Arbeit verrichtet.

Historischer Kontext:

Im Jahr 1884 stellte Nicolaus August Otto den nach ihm benannten 4-Takt-Motor vor (vgl. Abb. 16), dessen grundlegendes Arbeitsprinzip bis heute unverändert ist und auf dem zu späterer Zeit Diesel und Wankel aufbauten. Es kam weltweit zur Motorisierung zu Land, Wasser und Luft (vgl. [9], Oldtimer Club Nicolaus-August-Otto e. V.).


Didaktische Anmerkungen zur Epoche der Verbrennungsmotoren:

Da innerhalb der vorgestellten Experimentierreihe nur ein Experiment stellvertretend für die zeitliche Epoche der Verbrennungsmotoren vorgestellt wurde, bietet dieser Themenbereich eine Vielzahl an Vertiefungsmöglichkeiten und zusätzlichen Experimenten für den Physikunterricht an. Es können die drei weiteren Takte des Otto-Motors (Ansaugen-Verdichten-Ausstoßen) besprochen, oder Berechnungen zum Kraftstoffverbrauch bekannter Fahrzeuge angestellt werden. Hierbei kann auch ein Bezug zum aktuellen Thema des Ausbaus der erneuerbaren Energien & der in Frage gestellten Abschaffung von Verbrennungsmotoren in der Gesellschaft mit diesbezüglichen Klassendiskussionen aufgestellt werden.

Literatur

  1. Wilke, H.-J. (1996): Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule: Zur historischen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen; Aulis Verlag; Teil 7
  2. Höttecke, D. (2001): Die Natur der Naturwissenschaften historisch verstehen: fachdidaktische und wissenschaftshistorische Untersuchungen; Logos - Verlag
  3. Kircher, E. (2009): Physikdidaktik - Theorie und Praxis; Springer - Verlag, Heidelberg
  4. Hünig, K. : Der Dampfkreisel; SunWatch Verlag; Neustadt in Holstein
  5. Wilke, H.-J. (1996): Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule: Zur historischen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen; Aulis Verlag; Teil 9
  6. Wilke, H.-J. (1996): Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule: Zur historischen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen; Aulis Verlag; Teil 10
  7. leifiphysik: Wärmekraftmaschinen: Dampfmaschinen, http://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermekraftmaschinen/ausblick/dampfmaschine [28.08.2017]
  8. Hermann Schmidt: Die Geschichte der Heißluftmotoren: Von Heron bis zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – Ein Überblick, 2010, http://www.stirlingmotor.com/ [19.06.2017]
  9. Oldtimer Club Nicolaus-August-Otto e. V.: Nicolaus-August-Otto - 125 Jahre Viertaktmotor, http://www.nicolaus-august-otto.de/index.php/n-a-otto/125-jahre-viertaktmotor [20.06.2017]


Siehe auch

Themenspezifisch kann mittels der vorgestellten Experimentierreihe Bezug zu den im Seminar demonstrierten Experimenten zum Thema Energieumwandlung und -erhaltung (SoSe 2017) genommen werden, da zum einen die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie in einer Vielzahl der in diesem Artikel angegebenen Versuche vollzogen wird und zum anderen der Stirlingmotor innerhalb beider Vorträge vorgestellt wurde.

Weitere Experimente zum fachlichen Thema:

Weitere Experimente bzw. Experimentierreihen mit historischem Kontext: