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Faszination Geysir - der Phasenübergang Sieden am Beispiel eines Naturphänomens

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Faszination Geysir - der Phasenübergang Sieden am Beispiel eines Naturphänomens
Aufbau des Geysirs

Titelbild: Aufbau zur Nachstellung des Naturphänomens Geysir

Kurzbeschreibung
Am Beispiel des Naturphänomens Geysir soll der Phasenübergang Sieden näher erforscht und physikalische Zusammenhänge formuliert werden.
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7-8
Basiskonzept: Energie, Materie
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Laura-Jane Habermann
Kontakt: habermal@math.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Johannes Schulz
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Bis zu 130m hohe Wasserfontänen treten im Yellowstone-Park aus den rund 200 vorliegenden Geysiren aus und bringen ihre Besucher mit regelmäßigen Ausbrüchen zum Staunen. Als eine Berühmtheit gilt hierbei der sogenannte „Old Faithful“-Geysir, welcher alle 65 Minuten sein heißes Wasser aus dem Boden speit. Der Grund für diese Naturerscheinung sind Wassereinlagerungen in den darunterliegenden Gesteinsschichten: Die tief im Erdboden liegenden heißen Erdplatten, welche durch Magmakammern kontinuierlich erwärmt werden, heizen das durchsickernde Grundwasser in Hohlräumen und Gesteinsspalten der Erde auf, bis es zu sieden beginnt.

Abb. 1:Schematische Darstellung eines Geysirs

Es bildet sich eine umgangssprachlich bezeichnete „Dampfblase“, die Richtung Erdoberfläche mittels langer Quellrohre aufsteigt. Grund dieses Aufsteigens ist der wegen des Höhenunterschiedes zur Oberfläche entstehende Druckunterschied. Aufgrund des gebildeten Wasserdampfes beim Sieden verringert sich die Wasserstandshöhe in den Räumen des Grundwassers geringfügig, was fortwährend zu einer Senkung des vorliegenden Druckes führt. Eine Drucksenkung hat eine niedrigere Siedetemperatur des Grundwassers als Folge und somit auch eine erhöhte Häufigkeit des Wasserdampfausstoßes. Dieser wiederkehrende Vorgang führt letztlich zu einem explosionsartigen Ausbruch des Wassers bis zu einem bestimmten Wasserspiegel des Hohlraums, ab dem der Vorgang von neuem beginnt.

Tausende Menschen lockt dieses Naturphänomen jährlich an die 6 weltweit vorliegenden Geysirfelder in Island (Hankada), Neuseeland (Nordinsel), Russland (Kamschatka), Chile (El Tatio), Alaska (Unmak Island)und Wyoming (Yellowstone Park), da die Besucher fasziniert sind vom spürbaren „Leben der Erde“. [1] , [2]




Didaktischer Teil

Das im obigen Text angesprochene Interesse an der Natur und mögliche Alltagserfahrungen der Schüler/-innen sollen für die Behandlung des Phasenübergangs Sieden im Physikunterricht mittels eines „nachempfundenen“ Geysirs als Demonstrationsexperiment genutzt werden. Als Anfangsexperiment kann am Geysir zu Beginn der Unterrichtsreihe „Vom inneren Aufbau der Materie (Wärme- und E-Lehre)“ oder dem Themenbereich „Wärme im Alltag, Energie ist immer dabei (Wärmelehre)“ , in denen laut Berliner Rahmenlehrplan in der Sekundarstufe 1/Doppeljahrgang 7/8 jeweils die Aggregatzustände und ihre Änderungen behandelt werden, das vorhandene Vorwissen der Schüler/-innen zu den Aggregatzuständen und dem Teilchenmodell in die Klassendiskussion aufgenommen und wiederholt werden. Nach dem Berliner Grundschulplan finden diese Themen bereits unter der Kategorie „Umgang mit Stoffen im Alltag“ in den Klassen 5&6 Erwähnung. Weiterhin können am Experiment zahlreiche Beobachtungen, die auf physikalische Zusammenhänge schließen lassen, von den Schülern/-innen gemacht und durch kleinere Schülerexperimente (siehe folgender Text) nachempfunden werden. Ebenso ermöglicht dieser Aufbau einen fächerübergreifenden Unterricht zum Fach Geografie, beispielsweise innerhalb des Themengebiets "Extreme des Naturraums - Plattentektonik" und Chemie, im Kontext "Wasser - Element oder Verbindung?", welcher den Schülern/-innen zahlreiche unterschiedliche Blickwinkel auf das Naturphänomen Geysir zulässt.[3]

Abb.2: Geysir des Alltags: Die Kaffeemaschine

Abschließend kann den Schülern/-innen ein weiterer Bezug zum „Alltag“ ermöglicht werden, indem man Analogien zur täglich im Haushalt genutzten Kaffeemaschine herstellt, die nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert und auch als "Geysir des Alltags" bezeichnet werden kann. Der Praxisbezug zu einer realen Kaffeemaschine im Unterricht ist dabei empfehlenswert.

Neben dem erhofften Erkenntnisinteresse an der Funktionsweise des Geysirs und einem daraus resultierenden Interesse für die Phasenübergänge und speziell das Sieden, soll mittels dieses Experiments auch ein Teil der typischen Schüler/-innen-Vorstellungen zur Thermodynamik korrigiert werden. Beispielsweise wird oftmals das Erreichen des Siedepunktes eines Stoffes nur mit dem Begriff Temperaturerhöhung in Zusammenhang gebracht. Die im folgenden Text benannten Vertiefungsmöglichkeiten des Geysir-Experiments ermöglichen hierbei durch einfache Messungen ein Richtigstellen der Schüler(-innen)-Gedanken auf einen ebenfalls vorliegenden Zusammenhang zwischen Siedetemperatur und vorherrschendem Druck.

Versuchsanleitung

Aufbau

Für den Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:

  • (1): 1 Stativfuß
  • (2): 1 Stativstange (Länge:ca. 100cm),1 Stativstange (Länge:ca. 50cm)
  • (3): 3 Stativmuffen
  • (4): 2 Stativklemmen
  • (5): 1 Rundkolben (etwa 250ml)
  • (6): 1 Gummistopfen mit 2 Zugängen
  • (7): 1 Verdichtungsstopfen
  • (8): 1 Rundkolbenklemme
  • (9): 1 Glasrohr (Länge:ca. 80cm)
  • (10): 1 Gummischlauch (Länge:ca.5cm)
  • (11): 1 Trichter
  • (12): Wasser (optional gefärbt)
  • (13): 1 Gasbrenner
Abb. 3: Überblick der verwendeten Materialien
Abb. 4: Schematischer Versuchsaufbau des Geysirs
Abb. 5: Vergrößerte Ansicht des Rundkolben-Aufbaus

Gemäß des Titelbilds und der schematischen Darstellung des Experiments in Abb. 4 werden zunächst die beiden Stativstangen (2) mittels einer Stativmuffe (3) miteinander verbunden und im Stativfuß (1) befestigt. Ziel dabei ist es, eine möglichst stabile und große Arbeitshöhe für den Geysir-Aufbau zu erhalten. Optional kann daher, wenn vorhanden, auch eine Stativstange mit der Gesamtlänge von ca. 150cm verwendet werden. Als nächstes werden die beiden Stativklemmen (4) an den Stativstangen mittels der zwei restlichen Stativmuffen befestigt, die erste in einer Höhe von ca. 40cm vom Boden entfernt, die zweite etwa in einem Abstand von 100cm zur Ersten. Nun wird der Rundkolben (5), welcher als Wasserkammer im Erdreich dient, bis zum Kolbenhals mit Wasser (12) befüllt und mittels des Gummistopfens (6) verschlossen. Im ersten Zugang des Stopfens wird das dünne Glasrohr (9) (was als Quellrohr dient)befestigt, welches den Stopfenzugang luftdicht abschließen sollte. Im zweiten Zugang befestigt man den Verdichtungsstopfen (7). Nun wendet man sich der sogenannten Rundkolbenklemme (8) zu: Diese Vorrichtung ist kein gewerblich kaufbarer Gegenstand, kann aber leicht nachgebaut werden. Sinn der Klemme ist es, den Gummistopfen möglichst fest am Rundkolben zu befestigen, so dass es beim späteren Befüllen des Glasrohrs zu keiner Öffnung des Stopfens aufgrund der erhöhten Druckdifferenz kommt. Hierzu können zwei dünne Metallplatten mittels zweier dünner Gewindestangen miteinander verbunden werden. In die obere Metallplatte wird weiterhin ein Loch gebohrt, welches im Durchmesser etwas größer als das verwendete Glasrohr sein sollte. Mittels passender Muttern und Unterlegscheiben können dann die Metallplatten, wobei die obere über das Glasrohr gefedelt wurde und auf dem Gummistopfen aufliegt und die zweite am Boden des Rundkolbens anliegt, miteinander über die Gewindestangen verbunden werden und dadurch den Stopfen fest am Kolbenhals fixieren. Es ist jedoch Vorsicht beim Festmachen geboten, denn der Stopfen sollte stets mindestens 2mm über dem Rand des Kolbenhalses hinausstehen, um ein Zerspringen des Rundkolbens zu vermeiden. Dieser Rundkolbenaufbau wird nun mittels der ersten, unteren Stativklemme am Stativ befestigt. Um weiterhin auch den "Auffang" des Wassers beim Ausbruch , wie es in der Natur ein umliegender See realisiert, umzusetzen, soll ein Trichter (11) an das Glasrohr befestigt werden. Um auch hier einen möglichst luftdichten Übergang zu erreichen, nutzt man als Verbindungsstück einen kurzen (z.B. etwa 5cm langen) Gummischlauch (10), der im Durchmesser nur minimal größer als Trichteröffnung und Glasrohr ist, in den sowohl die untere Öffnung des Trichters, als auch das obere Ende des Glasrohrs eingeschoben werden. Abschließend wird der Trichter mittels der zweiten Stativklemme am Stativ befestigt und ein Gasbrenner (13) unter den Rundkolben gestellt, welcher die heißen Gesteinsplatten simuliert.[4]

Durchführung

Nun füllt man den Aufbau des Geysirs über den Trichter mit weiterem Wasser, bis ein Wasserstand von etwa der Hälfte des verwendeten Glasrohrs erreicht ist und keine Luftblasen im Kolben zurückbleiben. Nützlich ist hierbei die Tatsache, das bereits beim Aufbau des Experiments der Rundkolben mit Wasser befüllt wurde, da somit eine deutliche Zeitersparnis entsteht. Sollte das Wasser aufgrund des Druckunterschieds nicht bis zum Rundkolben durchlaufen, kann man den eingefügten Verdichtungsstopfen am Rundkolben als Ventil verwenden und somit das Wasser bequem auffüllen. Aus didaktischer Sicht bietet es sich ebenso an, den gewählten Wasserstand am Glasrohr zu markieren, da im Folgenden auch die Ausdehnung von Wasser bei Temperaturzunahme für die Schüler/-innen zu beobachten ist und als Wiederholung oder Vertiefung mit in die Versuchsdurchführung aufgenommen werden kann. Im nächsten Schritt wird der Gasbrenner auf die Arbeitsflamme eingestellt und unter den Rundkolben gestellt. Man sollte darauf Acht geben, dass zwischen Kolbenboden und Brennerflamme mindestens 5cm Abstand besteht, um eine zu starke Erwärmung des Glaskolbens und ein mögliches Zerspringen des Glases zu vermeiden.[5]

Ergebnisse und optionale Auswertungsmöglichkeiten

Die Schüler/-innen beobachten zunächst die Ausdehnung des Wassers aufgrund der Temperaturerhöhung durch den Brenner. Dies ist durch den sichtbar veränderten Wasserstand am Glasrohr zu beobachten und es besteht optional die Möglichkeit, mittels Messwertaufnahme die Abhängigkeit des Volumens von der Temperatur im Unterricht zu untersuchen, wobei jedoch auch auf die Ausdehnung des Glases und das anormale Ausdehnungsverhalten von Wasser im Klassengespräch eingegangen werden muss. Um dabei auch die Temperatur in regelmäßigen Abständen zu messen, könnte statt des Verdichtungsstopfens (7) ein Thermometer in den Zugang des Gummistopfens eingesetzt werden und analog beim Befüllen des Geysirs als Ventil dienen. Mittels eines zusätzlich am Glasrohr befestigten Lineals und einer Stoppuhr können die Höhe des Wasserstandes und die zeitliche Dauer aufgenommen werden. Vergleiche hierzu auch Experimente zur Ausdehnung anderer Stoffe: Wärmeausdehnung von Luft

Dieser optional veränderte Versuchsaufbau ist in Abb. 7 schematisch veranschaulicht.

Abb. 7: Veränderter Aufbau des Geysirs unter zusätzlicher Betrachtung der Wärmeausdehnung von Wasser



Im vorhandenen Geysir-Experiment können die Schüler/-innen im weiteren Verlauf ab dem Erreichen einer bestimmten Temperatur im Rundkolben den Vorgang des Siedens beobachten, in Form der im Glasrohr aufsteigenden Dampfblasen. Diese steigen zunächst in Abständen von ca. 30sec (bei diesem Versuchsaufbau) in Richtung Trichter auf und verringern damit den Wasserstand im Geysir minimal. Im weiteren Beobachtungsverlauf ist dann eine deutliche Zunahme der Dampfblasen in merkbar kürzeren Zeitabständen festzustellen, welche ebenfalls optional durch Messwerte analysiert werden können: Im Folgenden ist eine tabellarische Zusammenfassung der aus einer Videoanalyse [aufgenommen am 16.11.2015,10:48Uhr] gemessenen Anzahl an Dampfblasen und ihren Zeitabständen bis zum Ausbruch des Geysirs aufgeführt und die dazugehörige grafische Darstellung erstellt, wobei ein deutlicher exponentieller Abfall der Zeitabstände zwischen den Blasen zu erkennen ist. Messfehler können hierbei durch Betätigung der Stoppuhr und der Inhomogenität der Dampfblasen entstehen und im Klassengespräch benannt werden, jedoch soll diese "Zwischenmessung" nicht Grundlage einer physikalisch exakten Auswertung sein, sondern als "greifbare" Veranschaulichung der Schüler/-innen-Beobachtungen dienen.

Tab. 1: Tabellarische Zusammenfassung der Messwerte bezüglich Dampfblasenanzahl und -zeitabständen bis zum Ausbruch des Geysirs
Abb. 8: Grafische Darstellung der Messwerte aus Tab. 1
Abb. 9: Zur besseren Beobachtung wird die Verwendung von gefärbtem Wasser im Geysir empfohlen

















Im Nachfolgenden ist dann der Ausbruch des Geysirs in Form mehrerer fontänenartiger Wasserausstöße, weit über den angebrachten Trichter hinaus, zu beobachten. Eine "Eruption" dauert dabei ca. 8-10sec und etwa 25sec später ist der nächste Ausbruch von den Schülern/-innen beobachtbar. Eine solche Simulation des Naturphänomens Geysir ist im folgenden Video ersichtlich:

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Video 1: Ausbruch des Geysirs mit Betrachtung des Siedens im Rundkolben












Vertiefungsvorschlag

Wie bereits im obigen Text angedeutet, gibt es noch weitere Vertiefungsvarianten des Experiments Geysir. In diesem Abschnitt soll eine Möglichkeit der Behandlung des Druckunterschiedes am Geysir vorgestellt werden:

Hierfür werden neben dem obigen Geysir-Aufbau die folgenden Materialien benötigt:
Abb. 10: Aufbau der Druckmessung als Vertiefungsmöglichkeit, beispielhaft an einem kleineren Geysir von ca. 40cm Höhe
  • (a) 1 Sensor-CASSY (Interface zur Aufnahme von Messdaten) & 1 Laptop/PC
  • (b) 1 B-Box & 1 Verbindungskabel
  • (c) 1 CASSY-Drucksensor (hier: LH 516 60 TANGENTIALE B-SONDE/ TANGENTIAL B-PROBE), optional mit Verlängerungsmöglichkeit des PVC-Schlauches (je nach Größe des Geysirs)
  • (d) 1 Lineal & Stativhalterung
  • (e) optional 1 zusätzliches Stativ (Fuß + Stangen) als Befestigungsmöglichkeit des Sensors (zur erleichterten Messung) mit analogen Maßen des Geysir-Stativs

Zunächst befestigt man das Lineal am Glasrohr des Geysirs mittels der Stativhalterung. Der Drucksensor wird daraufhin über das Verbindungskabel mit der sogenannten B-Box verbunden, die wiederum eine Art Adapter für das Sensor-CASSY darstellt. Optional kann zusätzlich der Sensor an einem Stativ befestigt werden, um ein genaueres Messen (ohne Störeinflüsse durch Bewegung) zu ermöglichen. Das CASSY wird anschließend mittels USB-Kabel an einen Laptop angeschlossen und der Messvorgang kann beginnen.

Man führt den PVC-Schlauch des Drucksensors in das Glasrohr des Geysirs bis zum vorhandenen Wasserstand ein und misst dann in einem gewählten Abstand (beispielsweise alle 5cm) den Druck. Dieser Vorgang wird bis zum Erreichen des Rundkolbens durchgeführt, um einen insgesamten Überblick über die vorhandenen physikalischen Eigenschaften des Geysir-Baus zu erhalten.

Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Messwertebeispiel, aufgenommen an einem kleineren Geysir mit einer Höhe von ca. 40cm:

Tab.2: Tabellarische Zusammenfassung der aufgenommenen Messwerte zur Druckmessung am kleinen Geysir (40cm Höhe)
Abb. 12: Grafische Darstellung der Messwerte aus Messvorgang 1 (rote Datenreihe) ,Tab. 2, unter Verwendung der linearen Regression Ax + b
Abb. 13: Grafische Darstellung der Messwerte aus Tab. 2, unter Verwendung der linearen Regression Ax + b


















Diese Daten können darauffolgend von den Schülern/-innen ebenfalls grafisch ausgewertet werden (siehe Abb. 12 & 13) und/oder weitere Messvorgänge durchgeführt werden. Dabei sollte beachtet werden, dass bei mehrmaligem Messen stets ein minimaler Wasserrückstand im PVC-Schlauch des Drucksensors zurückbleiben kann und dadurch veränderte Werte entstehen können (vgl. Abb.13). Als weitere Messunsicherheiten können die Unsicherheit des Sensors und Störeinflüsse beim Einführen des Schlauchs in das Glasrohr benannt werden.

Als Ergebnis erkennt man einen deutlichen linearen Zusammenhang zwischen der Eintauchtiefe des Drucksensors [cm] und dem gemessenen Druck [Pa]. Die Schüler/-innen erhalten die Erkenntnis, dass mit zunehmender Höhe h des Wassers im Rohr ein größerer Druck im Wasserreservoir des Geysirs herrscht, als in der Atmosphäre an der Oberfläche. Damit werden sie aus theoretischer Sicht an die Schweredruckformel:  p(h) = p_{0} + \rho\cdot g\cdot h herangeführt, wobei p der Druck, h die Wasserhöhe , \rho die Stoffdichte und g die Erdbeschleunigung darstellt. [6]

Wird optional im Unterricht zudem das Verhalten von Wasser im Vakuum (z.B. mittels einer Vakuumglocke) simuliert, erhalten die Schüler/-innen eine lückenlose Schlussfolgerung aus dem experimentell nachempfundenen Druckunterschied am Geysir und dem Erreichen des Siedepunktes des Wassers.

Sicherheitshinweise

  • Beim Arbeiten mit offenem Feuer, in diesem Fall dem Gasbrenner, ist stets Vorsicht geboten, es herrscht Verbrennungsgefahr! Lange Haare sollten daher zusammengebunden werden.
    Abb. 14: Warnung vor heißer Oberfläche - Verbrennungsgefahr!
  • Während des Ausbruchs des Geysirs kommt es zu heißen Wasserfontänen, die sowohl nahe stehende Personen, als auch Gegenstände gefährden können. Es sollte daher stets ein weiträumiger freier Platz für das Experiment gesucht werden. Das Tragen von Schutzbrillen ist zu empfehlen.
  • Während des Experiments erwärmen sich der Rundkolben und die Metallplatten der Rundkolbenklemme aufgrund des Gasbrenners sehr stark. Auch beim späteren Abbau sollte Acht vor den heißen Oberflächen gegeben werden. Verbrennungsgefahr!

Literatur

  1. Dr. Birgit Gläser.Abenteuer Erde - Meisterwerke der Natur. Verlag Das Beste. Stuttgart. 1996. S.42-44
  2. Friedemann Bedürftig. 1000 Weltwunder. Die Schätze der Menschheit in fünf Kontinenten. NAUMANN & GÖBEL Verlagsgesellschaft mbH. Köln. S.12
  3. https://www.berlin.de/sen/bildung/unterricht/lehrplaene/ [Letzter Zugriff: 21.03.15, 15:04Uhr]
  4. Ernst O. Berge.Handbuch des Physikunterrichts. Sekundarbereich 1. Band 3. Wärmelehre/Wetterkunde. AULIS VERLAG. S. 200-202
  5. Ernst O. Berge.Handbuch des Physikunterrichts. Sekundarbereich 1. Band 3. Wärmelehre/Wetterkunde. AULIS VERLAG. S. 200-202
  6. Dieter Meschede. GERTHSEN Physik. Springer. 24. Auflage. 2010. S.102-103


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