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Wärmestrahlung

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Wärmestrahlung
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Kurzbeschreibung
Dieses Experiment gehört in die Thermodynamik. Es kann zur Einführung oder Vertiefung der Wärmestrahlung in den Unterricht genutzt werden.
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. I und II
Basiskonzept: Absorbtion von Wärmestrahlung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 2
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: René Kunzendorf
Kontakt: \text{r.kunzendorf}@\text{web.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Dr. Franz Boczianowski
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Aus dem Alltag ist jedem bekannt, dass zum Beispiel bei direkter Sonneneinstrahlung einem recht warm wird oder dass in einem abgeschlossenen Auto die Temperatur extrem ansteigen kann. Aber auch das ein Metallstab der auf einer Seite Erhitzt wird, mit der Zeit auch auf einer anderen Seite heiß wird.
Die folgenden Experimente beschäftigen sich vor allem mit der Wärmestrahlung, gehen aber auch auf die Wärmeleitung ein und sollen den Schülerinnen und Schülern (im Folgenden: SuS) die Physik hinter diesen Begriffen nahe bringen.


Fachliche Klärung

Temperatur und Wärme

Die Temperatur ist eine intensive physikalische Größe, die den thermischen Zustand eines Systems beschreibt. Wie wir wissen bestehen alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe aus Atomen. Diese bewegen sich ständig in ungeordneten Bahnen. Dabei sind die Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen unterschiedlich. Ihre mittlere Geschwindigkeit hängt vor allem von der Temperatur ab. Hier gilt die Regel: Je höher die Temperatur des Stoffes, desto höher ist auch die mittlere Geschwindigkeit der Atome. Werden zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gebracht, so kommt es zum Temperaturausgleich. Dabei wird thermische Energie vom wärmeren zum kälteren Stoff übertragen. Diese Energie wird als Wärme bezeichnet.

Wärmeleitung

Wird ein Löffel in eine Schale mit heißer Suppe oder in eine Tasse Tee gestellt, so wird auch der Teil, welcher sich nicht in der Flüssigkeit befindet erwärmt. Man sagt hierbei, dass die Wärme von dem wärmeren Teil des Gegenstandes, welcher sich in der Flüssigkeit befindet, zum kälteren Teil übertragen wird.
Wird ein Teil eines Körpers erwärmt, bewegen sich die Atome dort schneller. Kollidieren die Atome mit anderen langsameren Atomen innerhalb des Körpers übertragen sie einen Teil ihrer kinetischen Energie. Die getroffenen Teilchen bewegen sich nun schneller und können ihrerseits Energie an ihre „Nachbarn“ abgeben.
Wärmeleitung findet nur statt, wenn eine Temperaturdifferenz auftritt. Wobei der Wärmestrom proportional zum Temperaturunterschied an den Enden des Körpers ist. Desweiteren ist die Wärmeleitung von Form, Größe und der Stoffbeschaffenheit des Körpers abhängig.


Experimentell kann man belegen, dass der Wärmestrom  \Delta Q pro Zeiteinheit  \Delta t gegeben ist durch:

 \frac{\Delta Q}{\Delta t}= \lambda A \frac{T_{1}-T_{2}}{l}


Dabei ist A die Querschnittsfläche des Körpers, l die Distanz zwischen den Enden,  T_{1} und  T_{2} die Temperaturen dort und  \lambda die Wärmeleitfähigkeit, eine stoffabhängige Konstante.

Wärmestrahlung

Im Gegensatz zur Wärmeleitung findet der Wärmetransport durch die Wärmestrahlung komplett ohne jegliche Materie statt. Das beste Beispiel dafür ist die Sonne, deren thermische Energie durch den (fast) leeren Raum bis zur Erde übertragen wird.
Die Übertragung von Wärme durch Wärmestrahlung basiert auf elektromagnetischen Wellen, welche sich nur zum Teil in dem für uns wahrnehmbaren Bereich des Lichtspektrums befinden. Dazu gehört auch der infrarote Bereich, welchen wir zwar nicht sehen, aber zum Beispiel durch eine Infrarotkamera darstellen können.
Die Strahlungsleistung eines Körpers hängt vor allem von seiner Temperatur T, aber auch von der abstrahlenden Fläche A und dem, vom Körper abhängigen, Emissionsgrad e, ab.
Daraus ergibt sich für die Strahlungsrate  \frac{\Delta Q}{\Delta t} eines Körpers folgende Formel:

 \frac{\Delta Q}{\Delta t}= e \sigma A T^4

Dabei ist  \sigma die Stefan - Boltzmann – Konstante mit dem Wert  \sigma = 5,67 \cdot 10^{-8} \frac{W}{m^2 \cdot K^4}

Jeder Körper, der Wärme abstrahlt, absorbiert auch einfallende Wärmestrahlung. Dabei gilt: Je besser ein Körper abstrahlt, desto besser absorbiert er auch. Woraus folgt: Für einen beliebigen Körper sind Emissionsgrad e und Absorptionsgrad a gleich groß:

 e=a

Der Emissionsgrad eines beliebigen Körpers liegt stets zwischen 0 und 1. Ein Körper mit Emissionsgrad 1 wird als schwarzer Körper bezeichnet. Das liegt daran, dass ein idealer Schwarzkörper alles an elektromagnetischer Strahlung absorbiert. Daher ist auch seine “Farbe” schwarz, da er kein Licht reflektiert.

Didaktischer Teil

Einordnung in den Rahmenlehrplan

In der Doppeljahrgangsstufe 7/8 wird die Thematik der Wärmeübertragung innerhalb des Pflichtbereichs P3 - Wärme im Alltag, Energie ist immer dabei, behandelt (Zitat:vgl. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport, Berlin, 2006: Seite 27). Dazu gehört auch das Durchführen und Interpretieren von einfachen Experimenten, sowie das Beschreiben von Demonstrationsexperimenten mit Begriffen der Fachsprache (vgl. ebd.). In der Sekundarstufe II kann die Thermodynamik als eins von mehreren Wahlthemen behandelt werden. Als Pflichtthema ist sie hier nicht vorgesehen.

Da die Experimente in der Sekundarstufe I und II durchgeführt werden können, werde ich im Folgenden auf beide Jahrgangsstufen eingehen.

Notwendiges Vorwissen der Schüler

Unabhängig von der Klassenstufe muss den SuS der innere Aufbau von Materie (P2 im Rahmenlehrplan) und damit auch das naive Teilchenmodell bekannt sein. Auch sollten sie mit dem Temperaturbegriff Teilchenbewegungen assoziieren. Die Begriffe Energie, Wärme und Temperatur sollten den SuS bekannt sein und auch von ihnen fachlich korrekt angewendet werden. Zum besseren Verständnis ist es gut, wenn die SuS die Wärmeleitung bereits kennen und mit dem Begriff experimentell arbeiten können.

Schülervorstellungen

Grade für die Schüler der Sekundarstufe 1 ist der Begriff der Wärme schwer zu fassen und in eine fachlich richtige Form zu bringen. Häufig wird Wärme nur mit dem wärmeren Teil einer Skala oder lediglich mit hoher Temperatur gleichgesetzt. Gelegentlich wird Wärme auch mit Entropie gleichgesetzt. Teilweise glauben Schüler auch, dass Wärme eine eigenständige Qualität ist, welche sich zum Beispiel in Gegenständen wie in einem Ofen befindet. Nicht selten existiert der Begriff der Kälte dann auch mit den gleichen ansichten.
Zum Beginn der Sekundarstufe 1 ist bei den SuS bereits eine grundlegende Vorstellung zum Begriff des Wärmetransports vorhanden. Dabei sind Modellvorstellungen nur gelegentlich ausgeprägt. Auch eine Teilchenvorstellung ist eher selten vorhanden. Häufig gehen die SuS davon aus, dass Wärme in Form von Stoffen wie Dampf, Rauch oder Luft transportiert wird (Wärmestoffvorstellung). Nicht selten werden Temperatur und Wärme synonym verwendet.

Differenzierung und didaktische Reduktion

Sekundarstufe I

In der Sekundarstufe I kommen die SuS erstmals mit Thermodynamik in Berührung. Dazu gehört unter anderem auch das Kennenlernen der verschiedenen Arten der Wärmeübertragung. Die Wärmeleitung ist zwar für den Versuch wichtig, steht aber nicht im Mittelpunkt. Primär geht es darum die Wärmestrahlung als weitere Art der Wärmeübertragung kennen zu lernen und zu verstehen. Ziel der Versuche soll es sein, den SuS zu zeigen, dass Wärme auch ohne Materie mittels Strahlung transportiert werden kann. Desweiteren sollen die SuS erkennen, dass die Strahlung von Körpern absorbiert werden kann und dass diese Absorptionsfähigkeit von der Oberfläche abhängig ist. Die Experimente beinhalten gewisse Verletzungsrisiken (siehe Abschnitt Sicherheitshinweise). Diese sind bei größeren Gruppen nur schwer einzugrenzen, wodurch sich die Experimentierreihe eher als Lehrerdemonstrations-Experiment eignet. Sie kann aber auch von einem Schüler unter Aufsicht eines Lehrers demonstriert werden.

Merksätze für die Schüler:

  • Wärme kann mittels elektromagnetischer Strahlung transportiert werden. Dabei werden weder feste, flüssige noch gasförmige Teilchen als „Transportmittel“ benötigt.
  • Verschiedene Körper können Strahlung absorbieren und emittieren (Bsp.: Sonne, Lampen)
  • Trifft Wärmestrahlung auf einen Körper, kann sie von diesem absorbiert oder reflektiert werden.
  • Wie stark ein Körper Strahlung absorbiert, hängt von seiner Oberfläche ab.

Sekundarstufe II

In der Sekundarstufe II sind die Grundlagen und das grundlegende Verständnis der Thematik bereits gegeben. Hier kann der Versuch genutzt werden, um das bereits vorhandene Wissen zu reaktivieren. Ebenfalls kann die Thematik der Wärmestrahlung weiter vertieft werden. So kann man aus Fragen, wie: "Halte deine Hand zwischen die Lampe und den Löffel und einmal hinter den Löffel. Was stellst du fest?“ darauf schlussfolgern, dass die Wärmestrahlung den Löffel nicht durchdringt. Beim Vergleich der Messreihen (siehe Abschnitt Messwerte und Ergebnisse) können die SuS feststellen, dass die Erwärmung der Löffel stark vom Abstand zur Rotlichtlampe abhängig ist und versuchen für diesen Effekt mögliche Ursachen zu finden. Die SuS können sich auch mit der Frage beschäftigen, warum ein Körper Wärmestrahlung emittiert und Vermutungen anstellen, wovon die Strahlungsleistung abhängig ist.

Merksätze für die Sekundarstufe II

  • Wärmeabsorption / Emission findet nur an der Oberfläche eines Körpers statt.
  • Die Strahlung die ein Körper aufgrund seiner Temperatur aussendet wird als Wärme - bzw. Temperaturstrahlung bezeichnet.
  • Je größer die Entfernung zum emittierenden Körper ist, desto geringer ist der von der abgestrahlten Wärme absorbierte Anteil.

Versuchsanleitung

Materialien

  • 3 Löffel - Edelstahl
  • 3 2-Cent Münzen - Stahl mit Kupfer-Ummantelung (94,35% Fe, 5,65% Cu)
  • 1 Teelicht/Kerze
  • 1 Rotlichtlampe, Philips, 150W
  • 1 Reagenzglasständer

Aufbau und Durchführung

Die Experimentenreihe wird in 3 Teilexperimente aufgeteilt.

Zuerst werden zwei der Löffel geschwärzt. Dazu wird die Kerze angezündet und die Innenseite der Löffel nacheinander im kurzen Abstand darüber gehalten. Beim Schwärzen der Löffel sollte darauf geachtet werden, dass die Berußung möglichst gleichmäßig über die ganze Innenfläche des Löffels verteilt ist.

Bild 1 - Löffel mit einer befestigten Münze

Bevor weitergearbeitet wird, müssen beide Löffel wieder auf Zimmertemperatur runterkühlen und die Rotlichtlampe sollte eingeschaltet werden, um verfälschte Messwerte durch ein aufheizen der Lampe zu vermeiden. Beim ersten Teilexperiment wird auf der Rückseite der blanken Löffel mit dem flüssigen Wachs der Kerze jeweils eine der 2-Cent Münzen befestigt. Die Lampe wird in einem Abstand von 10 cm zum Reagenzglasständer aufgestellt. Nun wird einer der Löffel vor der Lampe aufgestellt und die Zeit bis zum Herunterfallen der Münze gemessen.

Bild 2 - Fertiger Versuchsaufbau

Nach mehreren Durchläufen (bei den vorliegenden Messreihen wurden immer jeweils 5 Messwerte aufgenommen) wird das gesamte Experiment wiederholt und dabei der Abstand zwischen den Löffeln und der Lampe auf 20 cm erhöht. Der zweite Teil des Experiments wird analog zum ersten durchgeführt, nur werden jetzt die grüßten Löffel verwendet. Auch hier wird wieder die Zeit bis zum Herunterfallen der Münzen gemessen. Im dritten Teilexperiment werden ein blanker und ein gerußter Löffel gleichzeitig vor die Lampe gestellt. Jetzt geht es um den direkten Vergleich der ersten beiden Experimente. Dabei ist das Aufnehmen einer Messreihe nicht notwendig.






Beobachtungen

Wird ein Löffel vor die eingeschaltete Rotlichtlampe gestellt, so wird dieser durch die abgestrahlte Wärmestrahlung erwärmt. Dabei wird zunächst nur die der Lampe zugewandte Innenseite wärmer. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen Innen - und Außenseite des Löffels. Durch die oben erklärte Wärmeleitung wird nun Wärme zur Rückseite des Löffels transportiert und durch den direkten Kontakt, auch an das Wachs weitergeleitet. Das Wachs wird solange erwärmt, bis der Aggregatzustand anfängt sich zu ändern und die Münze samt Wachs nicht länger am Löffel haften kann und runterfällt. Sowohl im ersten als auch im zweiten Experiment ist deutlich zu sehen, dass die Dauer, bis die Münze runterfällt, stark schwankt. Dafür gibt es mehrere Gründe. Einer davon ist, dass die Dicke der Wachsschicht zum Teil variiert und sich nur schwer exakt abmessen lässt. Je größer die Wachsmenge auf dem Löffel ist desto mehr Wärme wird benötigt um es bis zur Schmelztemperatur zu erhitzen. Beim Experimentieren wurde auch deutlich, dass eine Münze, die am Rand des Löffels befestigt wurde länger braucht um abzufallen, als eine Münze im Zentrum. Das liegt daran, dass der Löffel aufgrund seiner Form in der Mitte am stärksten erhitzt wird. Auch können Luftbewegungen im Raum das Experiment beeinflussen. Solange allerdings keine unregelmäßigen Luftströme vorhanden sind, kann das als konstanter Fehler betrachtet werden.

Messwerte und Ergebnisse

Tabelle 1 - Messwerte beim blanken Löffel
Tabelle 2 - Messwerte beim geschwärzten Löffel

Es fällt in beiden Experimenten auf, dass die Zeit bis zum Ablösen der Münze stark vom Abstand zwischen Löffel und Lampe abhängt. Das liegt vor allem an der Streuung der Wärmestrahlen. Wird der Abstand erhöht, treffen weniger Wärmestrahlen auf die Oberfläche des Löffels, wodurch dieser langsamer erwärmt wird. Außerdem werden einige Wärmestrahlen an Molekühlen in der Luft gestreut. Dabei steigt der Anteil der gestreuten Strahlen mit der in der Luft zurückgelegten Strecke. Beim Berechnen der durchschnittlichen Zeit bis zum Ablösen der Münze erkennt man, dass sich die Ablösezeit beim Verdoppeln des Abstandes um das 2,5 – 2,9 fache erhöht.


Bei beiden Löffeln wird ein Teil der einfallenden Wärmestrahlung absorbiert und ein Teil reflektiert. Im Gegensatz zum normalen Löffel, ist der Anteil der absorbierten Wärmestrahlung beim geschwärzten Löffel wesentlich höher. Dadurch werden der Löffel und damit auch das Wachs stärker erhitzt und die Münze fällt schneller ab. Vergleicht man die Durchschnittszeiten bemerkt man, dass die Münze, beim blanken Löffel, bei beiden Abständen annähernd 3 mal länger zum Runterfallen braucht, als beim geschwärzten Löffel.

Eine Modifikation der Oberflächen des Löffels führt dazu, dass mehr Strahlung absorbiert als reflektiert wird. Der Prozess im Detail kann folgendermaßen verstanden werden: Der Ruß absorbiert einen größeren Anteil an Wärmestrahlung als die Oberfläche eines blanken Löffels. Diese Wärmemenge wird nun über die Wärmeleitung an den Löffel transportiert.

Im dritten Teilexperiment ist zu sehen, dass die Münze bei dem geschwärzten Löffel wesentlich früher abfällt.

Sicherheitshinweise

Bei dieser Experimentenreihe wird mit Feuer und heißem Wachs gearbeitet, was beides zu Verbrennungen führen kann. Auch die Rotlichtlampe erreicht hohe Temperaturen und sollte nur mit Vorsicht benutzt werden. Abhängig vom alter der Schüler sollten deshalb die Experimente in der Sekundarstufe I nur als Lehrerexperiment oder auch als Schülerdemoexperiment unter Aufsicht des Lehrers durchgeführt werden.

Mögliche Abänderungen der Experimente

Bei den Experimenten, wie sie oben beschrieben sind, wird auf die Wärmeleitung nur am Rande eingegangen. Möchte man die Experimente dahingehend etwas ausbauen, könnte man zum Beispiel die Messreihen mit mehreren Löffeln, die aus verschiedenen Stoffen bestehen, durchführen.

Abhängig davon was man für eine Lampe benutzt wird mit unterschiedlich hoher intensität Wärmestrahlung abgestrahlt. Damit kann man beim Experimentieren mehrere unterschiedliche Lampen zum erhitzen der Löffel verwenden und dann die unterschiedlichen Zeiten bis zum Abfallen der Münze vergleichen.

Weiterführendes Experiment

Die soeben vorgestellte Experimentenreihe gibt die Möglichkeit die Thematik der Wärmestrahlung weiter zu vertiefen. Das nun folgende Experiment soll den SuS diesen Bergriff etwas näher bringen und auch die Begriffe des Absorptions- und Emissionskoeffizienten etwas deutlicher darstellen.

Das Experiment

Bild 3 - Thermowürfel

Materialien:

  • Thermowürfel
  • Wärmebildkamera
  • Wasserkocher
  • ca. 400 ml (kochendes) Wasser

Für das Experiment wird ein hohler Würfel benutzt (Bild 3), dessen Seitenflächen alle eine andere Oberfläche haben. In den Würfel wird das kochende Wasser gefüllt. Durch die Wärmeleitung wird der Würfel erwärmt und gibt nun mittels Wärmestrahlung Wärme an seine Umgebung ab. Da wir diese Strahlung nicht sehen können, wird eine Wärmebildkamera zur Hilfe genommen. Diese registriert Wärmestrahlen und stellt sie für uns sichtbar farbig dar (Bilder 4-7). Die Wärmebilder zeigen den Würfel in jeweils derselben Stellung wie auf dem dazugehörigen normalen Bild. Vergleicht man die Bilder, erkennt man, dass dunkle und matte Oberflächen mehr Wärme emittieren als helle und glänzende Oberflächen.

Da die Wärmebildkamera die Strahlung in Abhängigkeit vom angegebenen Emissionskoeffizienten misst müsste man theoretisch bei jeder Messung den der emittierenden Oberfläche entsprechenden Wert einstellen um wirklich exakte Messwerte zu erhalten. In diesem Beispiel war der Wert auf 0,99 eingestellt, was in guter Näherung einer schwarzen Oberfläche entspricht. Damit sind die gemessenen Temperaturwerte annähernd exakt. Die grafischen Darstellungen der Wärmebildkamera entsprechen allerdings nur Teilweise der Wirklichkeit. Dafür können die Bilder gut zur Veranschaulichung der Problematik genutzt werden.

Bildergalerie zum Experiment (Bilder 4-7)

Literatur

Physik, Lehr- und Übungshandbuch, Douglas C.Giancoli, 3. erweiterte Auflage 2010

Physik, Gymnasiale Oberstufe, Duden Paetec Schulbuchverlag, 1. Auflage 2003

Schülervorstellungen in der Physik, Aulis Verlag, Rainer Müller, Rita Wodzinski, Martin Hopf, 3. unveränderte Auflage

Praxis-Magazin, Was ist Wärmestrahlung?, Prof. Dr. Friedrich Herrmann, PdN-PhiS. 5/54. Jg. 2005

Senat für Bildung Jugend und Sport, 2006: Rahmenlehrplan Physik, Sekundarstufe I und II, Oktoberdruck AG Berlin