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Konvektion im Aquarium

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Konvektion im Aquarium
hier ist der Versuchsaufbau zu sehen.

Abbildung: Versuchsaufbau

Kurzbeschreibung
Veranschaulichung eines Konvektionsstromes
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. I
Basiskonzept: Materie
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Jan Wieland
Kontakt: janwieland@gmx.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
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In diesem Experiment soll die Möglichkeit, durch Konvektionsströme Wind zu erzeugen, anhand eines Analogons mit Wasser deutlich gemacht werden. Dabei wird Wasser in ein Aquarium gefüllt, in unterschiedliche Temperaturzonen vertikal räumlich getrennt und unterschiedlich eingefärbt. Eine der beiden Seiten wird daraufhin mit einem Tauchsieder erwärmt. Die Temperaturerhöhung wird mit einem Thermometer deutlich gemacht. Wenn eine markante Temperaturdifferenz erreicht ist, wird die Trennscheibe herausgehoben und das Ineinanderfließen des Wassers beobachtet.

Einleitung

Motivation

Das Wetter ist ein Phänomen, das den Alltag jedes Menschen, so auch den der Schüler, prägt. So kann schon die Kleidungsfrage am Morgen mit einem kurzen Blick auf den Wetterbericht im Internet gelöst werden. Daraus ergibt sich bald schon die Frage, wie denn der Wetterbericht seine Vorhersagen treffen kann. Ein Phänomen, das Teil des aktuellen Wetters ist, ist der Wind. Er setzt die gefühlte Temperatur herab, und sorgt für schnellere Änderungen des Wetters, da sich seinetwegen zum Beispiel Wolkenfronten schneller bewegen. Im Folgenden soll es nun darum gehen, einen der vielen Gründe für die Entstehung von Wind zu erfahren.

Beschreibung des natürlichen Phänomens

Die Luftbewegung bei Sonnenschein an der Küste

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser  c = \left( 4,19 \tfrac {KJ}{Kg \cdot K} \right) [1]übersteigt die von Gestein und Sand c = \left( 0,7 \dots 0,9 \tfrac {KJ}{Kg \cdot K} \right) [1]deutlich. Dadurch, dass mehr Wärme von Gestein und Sand abgegeben wird, wird die Luft über dem Boden stärker erwärmt. Durch den Dichteunterschied von warmer und kalter Luft steigt die wärmere Luft dort nach oben, während die kältere Luft nahe über dem Wasser nachströmt. Dadurch entsteht ein Unterdruck über dem Wasser. Luft aus den höheren Luftschichten strömt nach und kühlt ab. Gleichzeitig entsteht ein Hochdruckgebiet in den höheren Luftschichten über dem Boden. Mit dem Einströmen dieser Luft in die höheren Schichten über dem Wasser schließt sich der Kreislauf.
Dieser Effekt tritt natürlich nur bei Sonneneinstrahlung auf. In der Nacht kühlt der Boden sehr schnell ab, während das Wasser die Wärme sehr viel langsamer abgibt. Der Kreislauf kehrt sich um.

Fachliche Klärung

Die Konvektion ist sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen zumeist die relevante Größe für den Austausch und das Durchmischen unterschiedlicher Temperaturen. [2] Sie findet sowohl bei Gasen als auch bei Flüssigkeiten aus dem gleichen Grund statt: Die unterschiedliche Temperatur sonst gleichartiger Stoffe führt zu einem Dichteunterschied. Beim Durchmischen der beiden Mengen unterschiedlicher Temperatur steigt die wärmere, weniger Dichte Menge auf, die kältere sinkt. Kompliziert ist es, die Konvektion von Flüssigkeiten und Gasen zu vergleichen. Die ideale Gasgleichung ist mit p \cdot V = N \cdot k \cdot T [3] aus der Experimentalphysik hinreichend bekannt. Hierbei ist p der Druck, Vdas untersuchte Volumen, N die Anzahl der Gasteilchen im Volumen, k die Boltzmann-Konstante mit k=1,38054 \cdot 10^{-23} J/K und T die Temperatur. Es ist jedoch ebenfalls bekannt, dass diese sich nicht ohne Weiteres auf reale Gase, geschweige denn Flüssigkeiten übertragen lässt. Aus diesem Grund soll an dieser Stelle ein rein qualitatives Experiment zur Untersuchung des Phänomens vorgestellt werden.

Änderung der Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur

Die Dichte von Wasser sinkt mit steigender Temperatur. Bei einer Temperatur von 15 °C hat Wasser eine Dichte von ca.  {999,10} \ \tfrac {kg}{m^{3}} , bei 70 °C jedoch nur noch  {977,76} \ \tfrac {kg}{m^{3}} [4] . Für den Versuchsaufbau von großer Relevanz ist, dass die Dichte von Wasser bei unter 4 °C wieder steigt (Anomalie des Wassers), sodass dann die Analogie mit Luft nicht mehr übereinstimmt. Die Dichte von Wasser lässt sich mit der folgenden Formel sinnvoll approximieren:  \rho (T) ~ 1000- 7 \cdot 10^{-3} (T - 4  ^\circ C) \ ^{2} [5]
Es wird angenommen, dass der Außendruck bei 1013 \ mbar liegt (Normaldruck)und es sich um reines Wasser handelt, d.h. keine Verunreinigung mit Mineralien und anderen Stoffen vorliegt. Diese Annäherung gilt natürlich in der Realität nicht, denn Meerwasser ist sehr mineralhaltig und sollte somit im Schulunterricht, falls auf die konkreten Dichten eingegangen wird, thematisiert werden.

Änderung der Dichte von Luft in Abhängigkeit von der Temperatur


Die Dichte von Luft bei 10 °C beträgt  {1,2466} \ \tfrac {kg}{m^3} , bei 40 °C aber nur noch  {
1,1272} \ \tfrac {kg}{m^3} [6] bei Normaldruck. Mit der intensiven Gasgleichung, \rho = \tfrac{N} {V}= \tfrac {p}{k \cdot T } , die aus der allgemeinen Gasgleichung folgt, ergibt sich, dass sich die Dichte  \rho von Luft nur in Abhängigkeit von der Temperatur tatsächlich antiproportional verhält.

Korrelation

Es ergibt sich also, dass die Abnahme der Dichte von Luft annähernd antiproportional verläuft, während die Abnahme bei Wasser quadratisch ist. Bei beiden tritt aber dasselbe Phänomen auf, dass die Dichte bei steigender Temperatur abnimmt. Im beschriebenen Experiment kann nur der allgemeine Effekt der Abnahme gezeigt werden.

Didaktischer Teil

Die Umsetzung von Konvektionsströmen von Luft im Unterricht gestaltet sich als äußerst schwierig. Dass Warme Luft "nach oben" steigt, lässt sich möglicherweise mit dem Schatten einer brennenden Kerze oder dem Aufsteigen von Wasserdampf verdeutlichen. Dass aber an anderer Stelle auch Luft "nach unten" fällt ist nicht selbsterklärend. Dieses Experiment soll nun dieser Erklärung dienen. Die Darstellung mit Luft erwies sich als äußerst schwierig und nicht eindeutig im recht kleinen Klassenraum umzusetzen, sodass dieses Analogieexperiment durchaus hilfreich sein kann. Dabei ist die Analogie Wasser-Luft allerdings nicht trivial und die Problematik derselben sollte im Unterricht wie oben beschrieben mit aufgegriffen werden.

Funktion dieses Experimentes im Physikunterricht

Im Folgenden wird kurz die Funktion von Experimenten nach Kircher et al. [7] vorgestellt. Sicher lassen sich auch weitere Funktionen finden, spielen aber inder folgenden Versuchsbeschreibung nur eine untergeordnete Rolle.

Ein Phänomen klar und überzeugend darstellen

Der Effekt wird uneingeschränkt sichtbar

Grunderfahrungen ausschärfen

Das Aufsteigen warmer Luft ist im allgemeinen bekannt, aber vermutlich noch nicht in seinen Ausformungen und Ausmaßen verstanden. Dies kann mit diesem Experiment gefördert werden.

Theoretische Aussagen qualitativ überprüfen

Wenn der Dichteunterschied von Wasser vorher im Unterricht behandelt wurde, kann dieses Experiment zur Überprüfung von Wissen dienen.

Physikalische Arbeitsweisen einüben

Mit diesem Experiment kann besonders das genaue Beobachten und Beschreiben von Phänomenen thematisiert werden.

Nachhaltige Eindrücke vermitteln

Ein Konvektionsstrom kann möglicherweise selten so gut beobachtet werden, wie in diesem Experiment

Vorwissen

Den Schülern sollte bekannt sein, wie ein Thermometer funktioniert und dass ein Tauchsieder Wasser erwärmt. Zu beidem gibt es viele didaktische Konzepte, auf die an dieser Stelle allerdings nicht näher eingegangen werden kann.


Einordnung in den Rahmenlehrplan

Wetter spielt im Physikunterricht eine untergeordnete Rolle und wird oft eher im Geografieunterricht verortet. Nichts desto trotz gibt es die Möglichkeit, auch nach dem Rahmenlehrplan, auf die Thematik "Windentstehung" näher einzugehen. Die erste Gelegenheit bietet sich schon im Modul P1 7/8 "Schwimmen, schweben, sinken". [8] Hier kann der Schwerpunkt auf den Auftrieb wärmerer Luft gelegt werden. Das Wahlmodul W3 7/8 "Wetterkunde"[9] bietet sich noch viel mehr an, da konkret auf die Entstehung von Wetter und damit auch von Wind eingegangen werden soll. Ebenso bietet sich WP 6 "Wetter und Klima"[10] an. Hier kann das Experiment insbesondere zur Festigung von Vorwissen dienen und das Beschreiben der Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten unterstützen.

Versuchsanleitung

Material zur Durchführung des Versuchs

  • Aquarium (Die Größe sollte so gewählt werden, dass das Experiment von allen Schülern gut eingesehen, aber das Wasser trotzdem zügig erhitzt werden kann.)
  • Stativmaterial,
(zum Beispiel
  • ein Stativfuß,
  • eine längere (1m)
  • eine kürzere (50cm)
  • drei kurze Stangen (25cm)
  • drei Klemmen zum Festhalten von Thermometern und Tauchsieder
  • vier Verbindungsstücke für die Stangen)
  • Tauchsieder
  • 2 wasserfeste Thermometer zum Eintauchen
  • 50ml Milch
  • 6 Tintenpatronen
  • Trennwand aus Glas oder Pressspan

Aufbau

Grundlage für den Versuchsaufbau bildet ein Aquarium auf einem festen Tisch. Darin befindet sich eine Trennwand aus beliebigem, Wasserundurchlässigem Material. Dieses Experiment wurde sowohl mit einer Glasplatte als auch mit einer Pressspanplatte erfolgreich getestet. Diese wird so in die Mitte des Aquariums eingebracht, dass wenig Wasser zwischen beiden Seiten ausgetauscht wird. Hinter dem Aquarium befindet sich ein Stativ mit einer höhenverstellbaren Querstange, an der die 3 wichtigen Geräte befestigt sind und in das Aquarium hinein ragen: Ein Tauchsieder und ein Thermometer sollen in die eine Hälfte hinein ragen, das zweite Thermometer in die andere. Sie sollten möglichst mittig in das Wasser hinein ragen und die Außenwände nicht berühren. Die Temperaturanzeigen der beiden Thermometer sollten von den Schülern gut gesehen werden können. Alternativ kann der Tauchsieder auch getrennt befestigt werden. So können die Thermometer während des gesamten Experimentverlaufs im Wasser verbleiben.

Durchführung

Zunächst wird das Aquarium mit Wasser gefüllt. Dieses wird mit Milch eingefärbt. Daraufhin wird die Trennwand in das Aquarium eingebracht. Nun wird die kältere Hälfte des Wassers mit der Tinte blau eingefärbt. Daraufhin wird die Stativstange in das Aquarium gesenkt und der Tauchsieder eingeschaltet. Auf einem der Thermometer ist ein Temperaturanstieg zu erkennen. Die Temperaturdifferenz sollte erfahrungsgemäß mindestens 10 K betragen. Die höhere Temperatur sollte den Wert von ca. 70 °C jedoch nicht übersteigen, um eine mögliche Verbrühung zu vermeiden. Daraufhin sollte der Tauchsieder ausgeschaltet werden. Der Tauchsieder sollte sich beim Ausschalten noch im Wasser befinden, da er sonst überhitzt und kaputt geht. Nun wird die Stativstange nach oben aus dem Wasser gehoben. Jetzt kann gern ein klein wenig Spannung aufgebaut werden, zum Beispiel mit der Frage an die Schüler, was sie erwarten. Dann wird die Trennwand heraus gehoben. Das Ergebnis sieht wie folgt aus:

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Schülertätigkeiten

Die Tätigkeit der Schüler beschränkt sich bei diesem Experiment auf das Beobachten eines Phänomens. Dabei sollte in unterschiedlichen Phasen auf unterschiedliche Schwerpunkte geachtet werden. Während der ersten Phase sollte so wenig wie möglich Wasser durch die Trennwand gelangen und der Anstieg der Temperatur auf der einen Seite beobachtet werden. Das Überprüfen der steigenden Temperaturdifferenz sollte ebenfalls von Schülern durchgeführt werden. In der zweiten Phase dann soll genau auf den Verlauf der Strömung genau geachtet werden. Gegebenenfalls können hierzu Arbeitsaufträge formuliert werden.

Ergebnisse

Grundsätzlich tendieren Flüssigkeiten und Gase dazu, ihre Verteilung auszugleichen und eine größere Mischungsentropie zu erreichen. Treffen nun eine Warme und eine kalte Schicht aufeinander, so durchdringen sich diese Schichten nicht einfach, sondern schieben sich übereinander. Erst wenn ein Temperaturausgleich stattgefunden hat, ist eine Unterscheidung beider Wasseranteile nicht mehr möglich. Im realen Geschehen an der Küste kann beobachtet werden, dass die eine Seite weiterhin stärker geheizt wird, als die andere und deshalb ein Kreisprozess entsteht, denn aufgrund der Erdoberfläche und der Erdanziehung sind die Luftmassen nach oben und unten begrenzt und können nur in gewissem Maße nach oben steigen oder unten sinken.

Auswertung

Die Schüler sollen bei diesem Experiment gelernt haben, dass Wettergeschehen kein vollkommen unberechenbares Phänomen ist, sondern konkrete Ursachen hat. Außerdem haben sie die Korrelation von Dichte und Temperatur von Fluiden kennengelernt. Auf die Dichteanomalie des Wassers wird an dieser Stelle nicht eingegangen.

Fehlerquellen

Es ist sehr schwer, eine perfekte Trennwand für dieses Experiment zu finden. Es ist also damit zu rechnen, dass ein wenig Flüssigkeitsaustausch schon während der Erwärmungsphase stattfindet. Darauf sollte mit den Schülern eingegangen werden. Auch ist darauf zu achten, dass die Trennwand möglichst gut fixiert ist.
Die im Test verwendeten Thermometer waren nicht gleich kalibriert, sodass sie auch in derselben Flüssigkeit leichte Temperaturunterschiede anzeigten. Messunsicherheiten von Thermometern konnten an dieser Stelle thematisiert werden, da zu den verwendeten Thermometern auch im Datenblatt keine Angaben gefunden werden konnten.

Sicherheitshinweise

Tauchsieder können leicht kaputt gehen, wenn sie ohne Flüssigkeit betrieben werden, daher sollte immer darauf geachtet werden, dass sie vor dem Verlassen des Wassers ausgeschaltet werden.
Das Hantieren mit heißem Wasser stellt immer auch ein Risiko dar, sodass ein ausreichend großer Abstand zwischen Schülern und dem Aquarium gewahrt werden sollte.
Da das mit Wasser gefüllte Aquarium relativ schwer ist, muss auf jeden Fall auf einen stabilen Unterbau geachtet werden, um der Zerstörung des Experimentieraufbaus vorzubeugen.

Literatur

  1. 1,0 1,1 Prof. Dr. habil. Lothar Meyer et al.: Formelsammlung - Formeln, Tabellen, Daten, Duden-Paetc Schulbuchverlag, Berlin 2003, S. 76
  2. Meschede, Dieter.: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Heidelberg 2006, S. 237
  3. Demtröder, W.: Experimentalphysik I, Springer-Verlag, Heidelberg 2006, S. 204
  4. http://www.wissenschaft-technik-ethik.de/wasser_dichte.html , letzter Zugriff 5.3.2014
  5. http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/studium/lehre/AquaPhys/docMVEnv3_11/MVEnv3_2011_p1_2_Dichte.pdf, letzter Zugriff 26.3.2014
  6. http://www.sengpielaudio.com/TemperaturSchall.htm, letzter Zugriff 5.3.2014
  7. Girwidz, R.: Medien im Physikunterricht. In: Kircher, E. et al., Springer-Verlag, Heidelberg 2009, S. 203-264
  8. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I - Jahrgangsstufe 7-10 - Physik, Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin, 2006/2007, S. 25
  9. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I - Jahrgangsstufe 7-10 - Physik, Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin, 2006/2007, S. 36
  10. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I - Jahrgangsstufe 7-10 - Physik, Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin, 2006/2007, S. 67

Siehe auch

http://www.physikalische-schulexperimente.de/physo/Wasser_-_Dampf_-_Regen
http://www.physikalische-schulexperimente.de/physo/W%C3%A4rmestrahlung
http://www.physikalische-schulexperimente.de/physo/Eis-Wasser-Wasserdampf