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Wärmekapazität einer Pizza

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Wärmekapazität einer Pizza
Pizza

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Kurzbeschreibung
Das Experiment dient zum Einstieg in die Thematik Wärmekapazität. Es gibt einen unkonstruierten Alltagsbezug, in dem es die Problematik "Warum verbrenne ich mich am Rand der Pizza nicht, jedch am Belag" aufgreift und die Problemlösung über die Wärmekapazität liefert.
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9 und 10 (in Berlin Doppeljahrgangsstufe 9/10) Stand 2013
Basiskonzept: Energie
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Marcel Kerber
Kontakt: mk_kirby@yahoo.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Tobias Ludwig
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Die Wärmekapazität beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, thermische Energie pro Temperaturänderung aufzunehmen. Das diese Größe eine spezifische Stoffeigenschaft ist, ist ein Phänomen, dass wir im Alltag häufig zu spüren und zu sehen bekommen. Sei es am Meer, wenn durch unterschiedliche Wärmekapazitäten Land- und Seewind entstehen, sei es bei Wärmespeichern oder - wie in dem folgenden Beispiel - beim Essen. Es ist also eine physikalische Eigenschaft, die Schülerinnen und Schülern (SuS) unter anschaulicher Motivation nahe gebracht werden kann und auch sollte, um entsprechende Alltagsphänomene zu verstehen.

Das vorliegende Experiment soll einen Einstieg in die Thematik Wärmekapazität bringen. Es berücksichtigt, die physikalischen Inhalte auf Alltagsvorstellungen aufzubauen. Dabei wird untersucht, wie sich unterschiedliche Teile einer Pizza aufheizen und abkühlen. Daraus kann man dann eine Fragestellung entwickeln, die beim Aufbau einer folgenden Unterrichtseinheit zum Thema "Wärmekapazität" helfen kann.

Das Experiment baut auf dem folgenden Phänomen auf:

Wenn man eine Pizza aus dem Ofen nimmt, ist der Teigrand bereits nach kurzer Zeit so abgekühlt, dass man dort anfassen kann. Der Belag ist aber noch so heiß, dass man sich Finger und Zunge daran verbrennt.

Dieses Phänomen geht darauf zurück, dass der Teig sehr luftig und trocken ist, während der Belag z.B. Wasser enthält. Damit ist die Wärmekapazität des Belages höher als jene des Rands.

Im Folgenden wird dargestellt, wie man ein Experiment dazu durchführen kann und welche didaktischen Aspekte dabei zu beachten sind.



Versuch

Versuchsidee

Im Versuch soll quali- und quantitativ untersucht werden, wie sich die Temperatur von Pizzateilen bei Aufheizen und Abkühlen ändert. Dazu untersucht man den Pizzarand und den Pizzateig mit Thermometern (qualitativ) oder - im Fall des Abkühlens - mit dem Finger (qualitativ). Dabei soll gezeigt werden, dass sich beim Aufheizen der Pizza der Teig schneller aufheizt und es dauert, bis der Belag auf der selben Temperatur ist, während beim Abkühlen der Teig ebenfalls schneller ist.

fachlicher Hintergrund

Von der Idee besteht der Belag zu großen Teilen aus Fett und Wasser, welche eine hohe Wärmekapazität haben. Der Teig hingegen ist sehr trocken und zudem luftig. Damit hat er auch eine geringere Wärmekapazität. Beim Aufheizen hat bei selber Wärmezufuhr der Teig eine höhere Temperaturänderung als der Belag. Entsprechend Ist die Temperaturänderung beim Abkühlen ebenfalls größer. Dem zu Grunde liegt die Grundgleichung der Wärmelehre


Q=c\cdot m\cdot \Delta T

Beim Aufheizen ist der Betrag von Q dabei als näherungsweise konstant anzusehen, beim Abkühlen ist es schwieriger, da Luftverwirbelungen Wärme abführen und somit das Ganze schwerer berechenbar machen.

Man kann kalorimetrische Messungen mit Teig und Tomatensoße (als Modell für den Belag) machen, um die Wärmekapazitäten zu erhalten. Es zeigt sich dabei, dass der Teig tatsächlich eine deutlich geringere Wärmekapazität hat, als die Tomatensoße. Die Werte differieren aber sehr, was z.B. am unterschiedlichen Lufteinschluss im Teig liegen kann. In einer Messung zum Demopraktikum wurde festgestellt, dass der

  • Teig bei c \approx (0,8 \pm 0,1 ) \frac{kJ}{kg K}

und der

  • Belag bei c \approx (1,2 \pm 0,1 ) \frac{kJ}{kg K}

liegt.

Materialien

Folgende Materialien werden benötigt:

  • eine (beliebige) Pizza
  • zwei Thermometer

Wenn man auch das Aufwärmen zeigt:

  • ein Ofen
  • zwei (ofengeeignete) Thermometer

Durchführung

Variante 1: Aufheizen und Abkühlen

Beim Aufheizen der Pizza im vorgeheizten Ofen werden zwei ofengeeignete Thermometer in Belag und Rand gesteckt. Hier ist es sinnvoll, die Ofentemperatur mit zu messen, um einen Vergleich zu haben.

Methodischer Hinweis: Einige Ofenthermometer haben sowohl einen Fühler für das Nahrungsmittel als auch für den Ofen.

Man beobachtet, dass sich der Rand schneller aufheizt als der Belag, indem man in definierten Zeitintervallen eine Messung der Temperatur von Belag und Rand vornimmt.

Methodischer Hinweis: Dies nimmt viel Zeit in Anspruch. Gegebenenfalls sollte man das auf Video aufnehmen und im Zeitraffer abspielen oder auf alternative Quellen zurückgreifen (siehe unten verlinkte Websites)

Beim Abkühlen ist nun ersichtlich, dass sich der Belag langsamer abkühlt als der Rand. Hierzu kann man zweierlei Messungen durchführen. Entweder misst man ebenfalls in definierten Intervallen oder man misst einmalig nach dem Ablauf einer gewissen Zeit. Hier sind 2-3 Minuten nach Entnahme aus dem Ofen vollkommen ausreichend, da die Pizzateile sich dann bereits signifikant unterschiedlich abgekühlt haben (s.u.). Hier ist es auch möglich, dass Schüler eine Tastprobe durchführen und schon nach kurzer Zeit deutliche Unterschiede bemerken.

In jedem Fall ist eine Betrachtung von Unsicherheiten nachrangig, da das Experiment nur einen ungefähren Wert benötigt, um den Sachverhalt des schnelleren Aufheizens/Abkühlens des Teigs quantitativ nachzuweisen. Hierzu genügt ein handelsübliches Thermometer beliebiger Unsicherheit.


Variante 2: Nur Abkühlen

Man führe nur den zweiten Teil des obigen durch.

Bemerkung

Im Praktikum wurde nur das Abkühlen vorgeführt. Das Aufheizen ist eine Idee, um den Versuch zu verändern und auch diesen Vorgang zu zeigen.

Zeitaufwand

Der Zeitaufwand für das Experiment variiert je nach Art der Durchführung. Wenn man das Aufheizen mitmacht, ist mit mindestens einer Viertel-Zeit-stunde im Unterricht und weiter Zeit für das Aufheizen des Ofens vor BEginn des Unterrichts zu rechnen. Wenn man nur den Abkühlvorgang zeigt, ist die Zeit im Unterricht mit ca. 5 Minuten zu beziffern, auch hier ist der Ofen zu heizen und die Pizza zu machen, dann allerdings im Unterrichtsvorfeld.

Ergebnisse

Es zeigt sich, dass sich der Belag im Ofen langsamer als der Teig erwärmt. Bei der Entnahme aus dem Ofen ist der Teig bereits nach kurzer Zeit deutlich kühler als der Belag. Hierbei ist es schwierig, die Abkühlung selbst während einer laufenden Präsentation vor SuS zu zeigen, da die Zeit zwischen Entnahme aus dem Ofen und dem Einstecken von Thermometern ausreicht, dass sich Teig und Belag auf signifikant unterschiedliche Temperaturen abgekühlt haben.



Beispiel

In der Präsentation im Demopraktikum wurde die Pizza ca. 2 Minuten vor der Messung aus dem Ofen genommen. Dabei ergaben sich Temperaturen von

\vartheta _{Belag} \approx 70 ^{\circ}C

\vartheta _{Rand} \approx 40 ^{\circ}C

bei einer Ausgangstemperatur von ca. 120°C.


Zum Aufheizen an sich liegen keine Daten vor, da auf Grund des Ofens eine Messung nicht möglich war. Vgl. hierzu Wissen macht Ah!".


Didaktischer Teil

Jeder kennt den Effekt, dass man sich an heißen Esswaren den Mund verbrennt. Wieso jedoch kann man eigentlich Pizza am Rand anfassen, auch wenn sie gerade frisch aus dem Ofen kommt, obwohl sie zum Essen noch zu heiß ist?

Das ist die Frage, auf der dieses Experiment aufbaut. Als alltäglicher Vorgang ist das Essen einer Pizza jedem Schüler schon einmal begegnet. Somit hat auch jeder Schüler eine Vorstellung davon, dass es zwischen dem Rand einer Pizza und dem Belag einen Temperaturunterschied gibt. In einer Unterrichtseinheit zum Thema Wärmekapazität kann die in obiger Frage formulierte Problemstellung daher genutzt werden, um einen Ausgangspunkt für Experimente zur Wärmekapazität verschiedener Stoffe zu liefern.

Die hier vorgeschlagene Funktion des Experiments ist EINSTIEGSEXPERIMENT. Wenn man das Experiment zum Beginn einer Unterrichtseinheit zum Thema Wärmekapazität benutzt, erhält man, wie beschrieben, einen Alltagsbezug. Somit gibt es der Lehrkraft die Möglichkeit, eine Motivation für das folgende Thema zu erhalten. Das Experiment selbst gibt die Möglichkeit, in einem zeitlich relativ kurzen Rahmen das in der Frage formulierte Problem auch quantitativ zu überprüfen. So kann man durch Messung der tatsächlichen Temperatur von Rand und Belag das unterschiedliche subjektive Temperaturempfinden bzgl. Rand und Belag verifizieren. Hierbei muss alerdings beachtet werden, dass man die absolute Temperatur nicht unmittelbar mit dem Empfinden gleichsetzen darf, da das Empfinden auf Wärme zurückgeht, wie sie durch die Hautrezeptoren wahr genommen wird. In diesem Rahmen kann man den Unterschied zwischen individueller Wahrnehmung und subjektiver Messung thematisieren. Dabei bietet es sich an, die Schüler zunächst fühlen zu lassen und danach zu messen, um das oben genannte Verifizieren des Gefühls durch Messung zu ermöglichen. Als Einstiegsexperiment eignet es sich z.B. aus folgenden Gründen:

1. Das Experiment benötigt als Vorwissen fast nichts. Höchstens der Begriff der "Wärme" ist notwendig, um eine nachfolgende Problemstellung zu entwickeln. Damit kann das Experiment als Einstieg in das Thema Wärmekapazität dienen. Mögliche Fehlvorstellungen der SuS, z.B. die Volumenabhängigkeit des Temperatur (Ein Körper braucht länger zum Aufheizen, weil er größer ist und damit eine niedrige Temperatur hatte)[1] könnten allerdings bei der Auswertung auftreten.

2. Man kann aus dem Experiment die Fragestellung entwickeln: "Warum ist der Teig so schnell nach dem Ofen so abgekühlt, der Belag aber nicht?" Daran können z.B. sich weitere Experimente anschließen, die aufzeigen, dass unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Wärmekapazitäten haben. Dabei hat man den Vorteil, dass man immer den Bogen zum Ausgangsproblem schlagen kann. Damit kann z.B. auch eine Notwendigkeit motiviert werden, Physik im Alltag anzuwenden, wie es z.B. im Berliner Rahmenlehrplan gefordert wird (so zum Beispiel in der Beschreibung des Basiskonzepts Materie, Klassenstufe 9/10 [2])


Somit soll als Ergebnis des Experiments keine gelöste Frage stehen, sondern vielmehr soll es zu Fragen führen, die im folgenden Unterricht beantwortet werden können.


Mögliche Anknüpfexperimente sind unter anderem:

Wie sind die Werte der Wärmekapazität von Belag (Tomatensoße) und Teig?

Woher kommen die Unterschiede in der Abkühlung, wie finden wir das raus?

Kenne ich das Phänomen woanders her? (Hier sei z.B. die Entstehung von Land- und Seewind erwähnt)


Das Experiment kann in der Doppeljahrgangsstufe 9/10 angewendet werden. Hier soll Wärmekapazität im Rahmen des Basiskozepts Energie in allen Niveaustufen behandelt werden[3]. Dazu geeignet ist das Modul P7 9/10: Mit Energie versorgen.

Literatur

  1. nach Reinders Duit: 1986; Wärmevorstellungen; in Rainer Müller, Rita Wodzinski, Martin Hopf (Hrsg.): 2011; Schülervorstellungen in der Physik, Aulis Verlag, dort aus Naturwissenschaften im Unterricht - Physik/Chemie (1986) Heft 13, S. 30-33
  2. Rahmenlehrplan Physik für die Sekundarstufe I, Hrsg: Senatsverwaltung Bildung, Jugend und Sport Berlin, Stand 2006/2007, S. 18, erhältlich hier
  3. ebenda, S. 20,

Siehe auch