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Wärmestrahlung im Vakuum

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Wärmestrahlung im Vakuum
Alternativtext

Abb. [1]: Bild des kompletten Versuchsaufbaus

Kurzbeschreibung
Qualitative Veranschaulichung verschiedener Aspekte der Wärmestrahlung
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. I

Jahrgangsstufe 7/8

Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus einfach
Informationen
Name: Andreas Krauß
Kontakt: \text{kraussan}@\text{student.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Daniel Zechlin
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Der hier aufgeführte Versuch zeigt mit einem einfach zu realisierenden Aufbau verschiedene Aspekte der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung. So kann man hier beobachten, dass sich Wärmestrahlung auch im Vakuum ausbreitet, sehen, wie sich verschiedene Oberflächen auf die Erwärmung durch Wärmestrahlung auswirken und sowohl die Existenz eines thermischen Gleichgewichtes demonstrieren, als auch seine Lage im Vakuum und an der Luft vergleichen. Es ist sowohl als Einführungsversuch in die Thermodynamik geeignet, um dort grundlegende Gesetzmäßigkeiten einzuführen, als auch als Abschlussexperiment des Themenkomplexes anwendbar, um das Gelernte an einem Experiment diskutieren zu können. Je nach Ausstattung der Schule kann man 2 bis 15 Minuten als Vorbereitungszeit ansetzen.

Didaktische Betrachtung

Oftmals sind bei Schülern Vorstellungen bezüglich der Wärmeleitung zu beobachten, die nur entfernt, oder gar nicht der Realität standhalten. Einige dieser Vorstellungen wären:


  • Durch Metallstangen wandern heiße Moleküle
  • Wärme geht durch Lufträume
  • Wärme fließt auf der Oberfläche
  • Körper in Kontakt oder in der Luft nehmen nicht unbedingt die gleiche Temperatur an
  • "Wärme" und "Kälte" sind Materialeigenschaften (z.b.: Wolle macht Warm, Metall macht Kalt)


Diese Ansichten gehen meist konform mit den Erfahrungen der Schüler aus dem Alltag, womit es an dieser Stelle die Aufgabe des Lehrers ist den Schülern die Grenzen ihrer Sichtweise aufzuzeigen und ihre Beobachtungen in einen neuen Kontext zu setzen. Hierzu bietet es sich an, die drei Mechanismen der Wärmeübertragung (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung) separat zu betrachten, um die sehr unterschiedlichen Übertragungsarten und ihr Wirkungsweise umfassend und präzise darlegen zu können.
Dieses Experiment stellt einige Schülervorstellungen in Frage. Durch seine Fixierung auf die Wärmestrahlung wird den Schülern gezeigt, dass eine Wärmeübertragung auch ohne ein Medium möglich ist. Dazu kann man noch hervorheben, dass Wärme keine Materialeigenschaft ist, da sich die Temperatur des gleichen Metalles unter unterschiedlichsten Voraussetzungen unterschiedlich ändert, sodass man das kühle Gefühl auf die gute, Wärmeleitfähigkeit des Metalls zurück führen kann. Weiterhin können auch Alltagsphänomene wie dunkle Körper werden in der Sonne schneller warm als Helle und erreichen höhere Endtemperaturen beleuchtet werden. Somit kann der Lehrer mit diesem Experiment verschiedene Erfahrungen der Schüler in einen physikalischen Zusammenhang setzen und Fehlvorstellungen korrigieren. Es ist zu beachten, dass dieses Experiment, da es nur die Wärmestrahlung betrachtet, nicht ausreicht um die Fehlvorstellungen der Schüler bezüglich der Wärmeübertragung vollständig zu wiederlegen (so kann beispielsweise die Vorstellung "Durch Metallstangen wandern heiße Moleküle." weiterhin plausibel erscheinen), weshalb es wichtig ist die hier gewonnenen Erkenntnisse als Teilaspekt der Wärmeübertragung zu sehen und sie nochmal zum Ende des Themenkomplexes zusammenfassend in das Gesamtbild einzubinden.

Physikalische Hintergründe

Wie bereits erwähnt, werden in diesem Experiment verschiedene Gesetzmäßigkeiten sichtbar. Auf Diese wird in der Folge unter physikalischen Gesichtspunkten eingegangen.

Wärmestrahlung im Vakuum

Jede Art von elektromagnetischer Welle kann sich ohne ein Medium (durch das Vakuum) fortbewegen. Da es sich bei Wärmestrahlung um eine solche elektromagnetische Welle handelt, kann sie sich durch das Vakuum bewegen (weshalb beispielsweise die Erde von der Sonne erwärmt wird). Jeder Körper (T>0K) imitiert Wärmestrahlung und ist in der Lage Wärmestrahlung in seiner Umgebung zu absorbieren und in thermische Energie umzuwandeln. Es gilt stets: je höher die Absorptionsfähigkeit, des so höher die Imitationsfähigkeit.

Thermisches Gleichgewicht

Je wärmer ein Körper wird, des so mehr Wärmestrahlung imitiert er. Dies führt zwingend dazu, dass der Körper eine Temperatur annehmen wird, bei der die eingespeiste Wärmeleistung gleich der Imitationsleistung ist. Diese Temperatur, bei welcher der Körper (unter konstanten Bedingungen) verharren wird nennt man Thermisches Gleichgewicht. Es ist jedoch zu beachten, dass im Normalfall auch Wärmeleitung und (zumindest indirekt) Konvektion eine Rolle spielen. So wird man in diesem Experiment erkennen können, dass das thermische Gleichgewicht im Vakuum bei einer höheren Temperatur liegt als in der Luft, was damit zu begründen ist, dass auch Energie an die Luft abgegeben wird.

Absorptionsfähigkeit

Das Absorptionsvermögen eines Körper (und somit auch sein Imitationsvermögen) hängt maßgeblich von seiner Oberfläche ab. Man kann sagen je dunkler ein Körper des so besser absorbiert er. Dies wird sich bei diesem Experiment in einem schnelleren Temperaturanstieg und in einer höheren Endtemperatur des Körpers mit schwarzer Oberfläche widerspiegeln.

Aufbau

Abb. 2: Beispiel geeigneter Körper zu Messzwecken
Abb. 3: Darstellung des Aufbaus

Es werden benötigt:


  • Vakuumglocke
  • Vakuumpumpe
  • Lampe
  • Thermometer
  • 2 identische Dosen
  • Alufolie
  • Kerze

Als erstes sollten die Dosen angefertigt werden (vergleiche Abb.2). Als Grundlage sollten Metalldosen (Beispielsweise von Nivea) verwendet werden. Diese werden je mit einem Loch, welches von der Größe her möglichst genau an den Durchmesser der Thermometer angepasst wird, versehen. Nun wird die Dose, bis zur Höhe des Loches mit Alufolie ausgelegt, das Thermometer so durch das Loch geführt, dass das Thermometergefäß (bei einem Digitalen Thermometer der Messkopf) in der Mitte der Dose liegt und die Dose weiter mit Aluminium aufgefüllt. Dies ist wichtig, um bei der Vakuummessung eine Wärmeübertragung zum Messgerät zu sichern. Die Thermometer sollten nun noch gut ablesbar sein. Anschließend wird Alufolie über den Deckel gespannt und die Dose verschlossen. Eine der beiden Dosen wird nun an der aluminiumüberzogenden Seite über die Kerze gehalten, sodass sich eine gleichmäßige Rußschicht bildet. Nun sind diese Dosen unter die Vakuumglocke zu stellen und die Lampe zu positionieren (Vergleiche Abb.3). Dabei sollte darauf geachtet werden, dass beide Dosen möglichst gleich bestrahlt werden.







Durchführung & Auswertung

Nachdem der Aufbau steht, ist zuerst das Vakuum zu erzeugen. Nachdem dies geschah, schaltet man die Lampe an. Von nun an sollte der Versuch ca. 20 Minuten laufen. Jede halbe Minute sollte die Temperatur an den beiden Dosen

Abb. 4: Grafische Auswertung

abgenommen und protokolliert werden. Nach Ablauf der 20 Minuten kann man vorsichtig die Luft einlassen ( wenn man dies zu grob tut, können einem die Dosen umwehen) und den Temperaturverlauf noch einige Zeit verfolgen. Alternativ kann die Messreihe auch nochmal ohne Vakuum durchgeführt werden. Um Vergleiche tätigen zu können sollte der Versuchsaufbau möglichst unberührt bleiben. So ist es beispielsweise auch führ die Messung in der Luft unablässlich auch die Vakuumglocke unangetaste zu lassen, um die Beleuchtungsverhältnisse vergleichbar zu halten. Anschließend sollten folgende Temperaturverläufe zu beobachten sein (vergleiche Abb.4). An dieser Stelle wurden zwei komplette Messreihen (im Vakuum und in der Luft) durchgeführt. Bei der Auswertung kann man nun dieser Grafik folgendes entnehmen:

  • Es ist ein signifikanter Temperaturanstieg nach dem Anschalten der Lampe unter allen Bedingungen zu verzeichnen. Somit wurde gezeigt, dass sich Wärmestrahlung durch das Vakuum ausbreitet.
  • Die schwarze Dose erreichte nahezu immer und zu jeder Zeit höhere Temperaturen als die Silberne, unverrußte. Man sieht also: dunkle Flächen absorbieren besser als Reflektierende.
  • Jede Dose strebt gegen eine gewisse Temperatur. Hier wird also in allen Fällen das Einstellen eines thermischen Gleichgewichtes betrachtet.
  • Die Angestrebte Endtemperatur ist sowohl vom Reflektionsvermögen als auch vom umgebenden Medium abhängig. Es werden somit zwei entscheidende Aspekte für die Lage des Thermischen Gleichgewichtes demonstriert.


Diese Erkenntnisse können idealer Weise in einer Klassendiskusion erlangt werden. Dadurch können Schüler ihre Fähigkeiten im Deuten von Diagrammen über möglichst viele Anreize ihrer Mitschüler ausbauen und sich die Zusammenhänge in Eigenarbeit (falls die Denkweisen in die falsche Richtung gehen gegebenenfalls teils auch unter Lenkung des Lehrers) aneignen.

Fehlerbetrachtung

Als quantitativer Fehler ist in diesem Experiment nur die Messunsicherheit des Thermometers zu nennen. Zwar wird zum Bestimmen der Messzeit auch ein Instrument mit einer Messungenauigkeit verwendet, da aber der Temperaturanstieg überschaubar schnell geschieht und eine spätere Ablesung um weniger als eine Sekunde von der Stichzeit das gleiche Ergebnis liefern wird, ist diese in der Praxis kein relevanter Faktor.
Wesentlich eher kommen bei diesem Experiment die qualitativen Fehler zum Tragen. Die Lichtbrechung und Abosorbtion der Vakuumglocke und die Ausrichtung der Dosen und des Lichtes zueinander werden dazu führen, dass beide Messkörper nicht gleich beleuchtet werden. Weiterhin ist es schwierig sicherzustellen, dass das Aluminium in den Dosen die gleiche Kontaktfläche zur Dose als auch zum Thermometer hat, was zu Verschiedenheiten bei der Wärmeleitung führen wird. Doch auch wenn man dies Berücksichtigt, liefert das Experiment genau die Ergebnisse, welche gewünscht sind. Anzumerken ist noch, dass in einem gewissen Zeitrahmen die Temperaturen beider Dosen in der Luft beim Vergleich mit der Messung im Vakuum höher liegen. Hier kann angeführt werden, dass Luft ein zusätzlicher Wärmeleiter ist und deshalb in der ersten Zeit ein höherer Temperaturanstieg zu verzeichnen ist.

Sicherheit

Beim Arbeiten mit einer Vakuumglocke ist stets zu bedenken, dass kleine Risse oder anderweitige Schwachstellen zu einer Implosion führen können. Die dabei entstehenden Splitter können die Augen schwer verletzen, weshalb es angebracht ist, eine Schutzbrille zu tragen. Ansonsten birgt dieses Experiment keinerlei versteckte Risiken.

Quellen