Kühlschrank – Wärmekraftmaschinen
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Heike Hofmann Kühlschrank – Wärmekraftmaschinen Fertige Stunden zum Thema Wärme und Energie odik Lernmeth Nach der einz Klippert von Dr. H ann Heike Hofm Downloadauszug aus dem Originaltitel: Physik tur Tempera d n u e › Wärm rgie und Ene › Wärme Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im eigenen Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen schulweiten Einsatz und Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte (einschließlich aber nicht beschränkt auf Kollegen), für die Veröffentlichung im Internet oder in (Schul-)Intranets oder einen weiteren kommerziellen Gebrauch. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Verstöße gegen diese Lizenzbedingungen werden strafrechtlich verfolgt. Wärme und Energie LS 06 LS 06 Zur Erklärung des Kühlschranks ein Graf-iz anfertigen Zeit Lernaktivitäten Material 1 PL 5’ L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunde. 2 EA 10’ Die S bearbeiten das Material M1. 3 PA 10’ Tandems vollziehen den Aufbau und die Wirkungsweise nach und notieren offene Fragen. 4 GA 15’ Tandems stellen sich ihre Erkenntnisse gegenseitig vor und überlegen, wie das Graf-iz aussehen könnte. M2 5 EA 25’ S fassen die Informationen in einem Graf-iz zusammen. M3 6 PA 10’ Die S erläutern im Doppelkreis die Wirkungsweise des Kühlschranks. 7 PL 10’ asse. Ausgeloste Schüler präsentieren vor der Klasse. M1 Kompetenzen – einen Fachtext sinnerfassend lesen – Kenntnisse über physikalische Sachverhalte wiedergeben – Wissen anschaulich und strukturiert darstellen – Aussagen der Mitschüler ve verfolgen, hinterfragen und beu beurteilen – Vorgä Vorgänge beschreiben und auf best bestimmte physikalische samme Zusammenhänge zurückführen Erläuterungen zur Lernspirale Ziel der Doppelstunde ist die Erarbeitung derr WirW piel d es kungsweise einer Kältemaschine am Beispiel des es Wissens so Kühlschranks. Zur Konsolidierung des solfertigen und dies anan len die Schüler ein Graf-iz anfertigen zen. schließend zur Erklärung nutzen. blauf im Einzelnen: nzelnen: Zum Ablauf m 1. Arbeitsschritt Arbeitssch itt erläutert d Im der Lehrer den geplanten Stundenv erlauf. Auftretende Auft Stundenverlauf. Fragen zurr Partner- und Gruppenbildung Grup bild können geklärt wer-n. den. n 22. Arbeitsschritt erhalten Schüler hüle das MaFür den onen zum Aufbau terial M1. Es beinhaltet Informationen nes K ühlsch und zur Wirkungsweise eines Kühlschranks. Das Blöcken: Verdampfer, Ver Material besteht auss vier Blöcken: erfl flüssiger üssiger und Ver ngun Über Kompressor, Verfl Verengung. tz entscheidet entsch det die Leistun den Einsatz Leistungsstärke der Klasse. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien e Schüler erhalten das komplette MaVariante 1: Alle terial M1. Variante 2: Das Material M1 wird halbiert und jeder Schüler erhält einen Teil des Materials. Im folgenden Arbeitsschritt wird dann ein Tandem den kompletten Kreislauf gemeinsam erarbeiten. Variante 3: Das Material wird geviertelt und jeder Schüler erhält einen Teil des Materials. Im folgenden Arbeitsschritt werden Vierergruppen gebildet. Diese Gruppe erarbeitet die Wirkungsweise des Kühlschranks gemeinsam. Nach Variante 1 und 2 werden im 3. Arbeitsschritt Tandems gebildet. Die Schüler erklären sich ge- Merkposten genseitig den A Aufbau und die Wirkungsweise des lschra ese fort. Offene ffene FraraKühlschranks bzw. setzen diese gen we n werden notiert und im Ansc Anschlusss an diesen Ar etrage und besproArbeitsschritt im Plenum vorgetragen ante 3 werden erden G ruppen gechen. Im Falle von Variante Gruppen iebene Aufgabe Aufgabe gemeinsam g bildet, die die beschriebene lösen. Im 4. Arbeitsschritt rbeitsschritt finden nden sich sic zwei Tandems zu G ppe (wenn dies einer Gruppe diese nicht bereits durch Varinte 3 geb ldet sind) s ante gebildet zusammen. Sie stellen sich Erkennt i ihre Erkenntnisse gegenseitig vor, prüfen das Gehörte, erg ergänzen und berichtigen, wenn nötig. In ei einem zweiten Teil der Gruppenarbeit überlegen sich die Schüler, wie ein Graf-iz zum Thema Kühlschrank aussehen könnte. Dazu erklärt der Lehrer, wie ein Graf-iz aufgebaut ist. Zum besseren Verständnis oder wenn ein Graf-iz noch unbekannt ist, kann jeder Gruppe ein Musterblatt (M2) vorgelegt werden. Die P Partnerner- und Gruppenbildung Grupp ild kann ann hier hi durch Spielkarten erfolgen. Partner sind zum Beispiel die roten Könige, die roten Damen usw., Gruppen werden dann alle Könige, alle Damen, … Als Informationsmaterial M1 kann das Kapitel zu Wärmepumpen aus dem vorhandenen Lehrbuch genutzt werden. Falls möglich, kann auch ein Film zum Thema gezeigt werden. In Einzelarbeit fertigt jeder Schüler im 5. Arbeitsschritt ein eigenes Graf-iz zur Wirkungsweise eines Kühlschranks an. Im 6. Arbeitsschritt stellen sich die Schüler in einem Doppelkreis auf. In mehreren Runden erklären sich die Schüler gegenseitig mithilfe ihres Graf-iz den Aufbau und die Wirkungsweise des Kühlschranks. Abschließend werden in einem 7. Arbeitsschritt Schüler ausgelost, die ihre Erkenntnisse im Plenum vortragen. Zum Schluss kann ein Feedback an den Vortragenden gegeben werden. 1 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 06.M1 Wärme und Energie 06 Zur Erklärung des Kühlschranks ein Graf-iz anfertigen Aufbau und Wirkungsweise eines Kühlschranks Verdampfer Die Temperatur der Lebensmittel ist höher als die Temperatur im Inneren des Kühlschranks. Ein thermischer Strom wird in Gang gesetzt. Die Lebensmittel geben Wärme ab und dadurch sinkt ihre Temperatur. tionier braucht man ein KühlmitDamit der Kühlschrank funktioniert, tem in einem Kreislauf fließt. Das tel, welches durch ein Rohrsystem ndere Eigenschaft. Eigens Kühlmittel hat eine besondere Es siedet bereits bei ca. −30 °C. ittel durch ein e n Rohrleitungssystem Rohrleitungs Da das Kühlmittel auch durch das hlschranks fließt, i ßt nim Innere des Kühlschranks nimmt es die abgegebene Wäre auf. Die th ermische Ene me thermische Energie des Kühlmittels nimmt zu, die emperatur erhöht erhöht sich und es wird im Verdampfer mpfer gasförmig. gas Temperatur Kompressor Das Gas im Rohrleitungssystem Da m wird durch eine ei Pumpe aus dem Kühlschrankinneren gepumpt. pumpt. Mit dem Gas wird rd die Wärme, die als thermische gespeichert abtransportiert rmisch Energie ergie ge peichert ist, abt und in den Verflüss üssiger ige gepresst. epres Um das Kühlmittel wiederr zu verfl (also kondensieren hlmit l wied flüssigen üss zu lassen), Temperatur n), müsste te die ie Tem Tempe at hier unter −30 °C liegen. Da der Kühlschrank Kühlschrank jedoch j och in einem Raum steht, herrscht meistens Zimm Zimmertemperatur. rtemper Verflüssiger Ve ssige Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien Das schnelle Hineinpressen des Gases in den Verflüssiger erhöht den Druck innerhalb des Gases. Wegen einer Verengung (dünnes Rohr) am anderen Ende des Verflüssigers kann es nicht so schnell entweichen, wie es hineingepresst wird. Mit der Druckerhöhung steigt auch die Temperatur, bei der das Kühlmittel flüssig wird, auf Zimmertemperatur. An den kälteren Rohren des Verflüssigers wird aus dem Gas eine Flüssigkeit, weil es daran kondensiert. Die frei werdende Wärme wird in den Raum außerhalb des Kühlschranks abgegeben. Verengung Die Verengung wird auch Drossel genannt. Dabei handelt es sich meistens um einen dünnes Röhrchen. Es verhindert den schnellen Rückfluss des Gases in den Verdampfer. Erst als flüssiges Kühlmittel kommt es im Rohrsystem zurück ins Kühlschrankinnere. Jetzt kann der Kreislauf von Neuem beginnen. Das flüssige Kühlmittel im Verdampfer nimmt Wärme auf und wird gasförmig … Der Kühlschrank ist demnach ein technisches Gerät, das Lebensmittel kühlt, indem es ihnen die Wärme entzieht. 2 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 06.M2 Wärme und Energie „Graf-iz“ – Erklärung Gib deinem „Graf-iz“ einen Namen und schreibe ihn in dieses Feld. Name: Datum: • Konzentriere dich in deinem Graf-iz auf das Wesentliche • Stelle die Informationen in einem selbst gezeichneten Bild dar tzlich sschreibst du kurze Schlag• Zusätzlich zeilen, die in diesen Bereich des raf-iz gehöre Graf-iz gehören • eine ine inhaltliche ZZusammenfassung als ei nen zusam einen zusammenhängenden Text sch schreibst du ins Feld unter das Bild gebaut. Es E verbindet det ein ei Bild mit Stichpunkten und einem Text zum gleichen Thema. Oben links Ein Graf-iz ist immer gleich aufgebaut. chnu g hin, daneben ist Platz Plat für deinen Namen und das Datum. gehört eine genaue Bezeichnung runter machst machs du eine ein Zeichnung vom Sachverhalt. Das ist nicht immer leicht, hilft aber, den Inhalt besser zu In das linke Feld darunter nst ein Mindmap zeichnen, zeich verstehen. Du kan kannst eine Skizze machen, ein Diagramm oder Ähnliches. Etwas einzukleben ist verboten! den ganz wenige weni wichtige Aussagen stichpunktartig aufgeschrieben. Rechts daneben w werden usamm Darunter kommt der zzusammenhängende Text, der den Sachverhalt noch einmal mit eigenen Worten beschreibt. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien fü weitere Informationsquellen, Hinweise oder Links. Natürlich ist da auch Platz für eine Bewertung. Ganz unten ist Platz für Hier unten kannst du die Quellen für weitere Informationen zum Thema angeben. 3 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 06.M3 Wärme und Energie „Graf-iz“ – Vorlage Thema Name: Datum: Kühlschrank Zeichnung: Überblick: Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien Text: 4 Klippert Zeitgemäß unterrichten Wärme und Energie LS 07 LS 07 Zu Wärmekraftmaschinen eine Präsentation erstellen Zeit Lernaktivitäten 1 PL 5’ L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunde. 2 EA 20’ Die S lesen die Informationen zum Otto- oder Dieselmotor. 3 PA 30’ Im Tandem wird vertieft recherchiert und die ersten Folien werden entworfen. 4 EA 30’ Die S gestalten ihre Folien in EA am Computer. 5 PA 25’ Im Tandem werden die Animation und die Notizen für den Begleitkommentar besprochen. 6 EA 40’ Die S stellen ihre Präsentation fertig. Ausgeloste S stellen die Präsentation vor. 7 PL 10’ Die Zuhörer geben ein Feedback und begründen. Material Kompetenzen – eine PowerPoint-Präsentation erstellen – Sachverhalte fachsprachlich und strukturiert darstellen – recherchieren – einen Vortrag halten – Feedback geben M1a und M1b M2 Erläuterungen zur Lernspirale Ziel der beiden Doppelstunden ist die Erstellung g eneiner PowerPoint-Präsentation (oder einer Op Openigenvera tOffice-Variante). Die Schüler sollen eigenverantngsweise, GeG wortlich zum Aufbau, der Wirkungsweise, schichte und den Nachteilen der Wärmekraftma Wärmekraftmahzeitig sollen sie sic schinen recherchieren. Gleichzeitig sich ntationsprogra im Umgang mit einem Präse Präsentationsprogramm steig üben und so ih ihre Medienkompe Medienkompetenzz steigern. Zum Ablauf im Ei zelnen: Einzelnen: m 1. Arbeitsschr Im Arbeitsschritt erläutert der Lehrer den ge-nten Stunden planten Stundenverlauf, erinnert gegebenenfalls as Verhalt an das Verhalten im Computerraum. Offene FramV bean gen zum Verlauf der Stunde werden beantwortet. Merkposten Merkpo Im 6. Arbeitsschritt rbeitss ritt werden die Präsentationen ionen fertigges ellt. Di e und fertiggestellt. Die Schüler animieren die Folien proben ih evor durch ein ZufallsZufa lsihre Präsentation, bevor verfahr Vorfü üh ng ausgelost au t verfahren einige Schüler zur Vorführung w llte je er Motorenwerden. Notwendigerweise sollte jeder n. typ dabei vertreten sein. d gebe n die Zuhöre Abschließend geben Zuhörer im 7. Arbeitsges Feedback Feed schritt ein aussagekrä aussagekräftiges zur inhaltliche te der Präsentation, Präsenta on, a chen Seite aber auch zur technischen Ausführung. sführung. Dazu kann der Kriterienbogen M2) verw ndet w (M2) verwendet werden. M2 – Kriterien Krit für eine Präsentation Grundkenntniss Grundkenntnisse Schüler der der S üler bei d Erstellung einer Erstell g eine Präsentation sind für räsent die Durchführung der eD Lernspirale erforderlich. Angaben für die PowerPoint können sein: • 4–5 Folien insgesamt (Titel, zum Erfinder, Aufbau, Wirkungsweise) Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien • nur Stichpunkte n die Schüler entweder Im 2. Arbeitsschritt erhalten le en die Informadas Material M1a oderr M1b. Sie lesen o- oder oder Dieselmotor Dieselmoto und erhalten e tionen zum Ottoenntnisse zum um Aufbau und der Wirkungsso erste Kenntnisse er Wärme tmaschin weise einer Wärmekraftmaschine. Beurteile die Leistung, indem du Punkte Punkte von 1 (schwach) bis 5 (stark) vergibst. Gemeinsam mit einem textgleichen Partner wird hr die Recherche vertieft und ersim 3. Arbeitsschritt te Folien werden auf Papier entworfen. In einem Zwischenschritt können sich auch neue textgleiche Paare finden, die ihre Entwürfe vergleichen und absprechen. Verständlich erklärt Im sich anschließenden 4. Arbeitsschritt wird von jedem Schüler eine Präsentation (vorerst ohne Animationen) am Computer erstellt. Präsentation Im 5. Arbeitsschritt kommen die Tandempaare von Schritt 3 wieder zusammen. Sie besprechen ihren aktuellen Arbeitsstand, diskutieren über die Animationen und überlegen sich die Begleittexte für ihre Präsentation. Körperhaltung Fachlicher Bereich – • groß genug (mindestens 24 Punkte) • Text und Bild verteilen Inhaltlich richtig Lernprodukt • klare Schriftart – Gute Gestaltung (Schrift, Größe, Farben, Texte und Bilder, …) • wenig Animation (für eine/zwei Varianten entscheiden) Kreative Idee – Deutlich und laut gesprochen Blickkontakt Gesamtpunkte … …/35 5 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 07.M1a Wärme und Energie 07 Zu Wärmekraftmaschinen eine Präsentation erstellen Ottomotor und PowerPoint-Präsentation 1 Zylinder 2 Kolben 3 Pleuel 4 Kurbelwelle elle 5 Einlassventil vent Einlasskanal 6 Einlass kanal Zündkerze 7 Zündkerz 8 Auslassventil Ausla 9 Auslasskanal 10 Schwungmasse sse In einem Verbrennungsmotor Verbrennung thertor wird aus chemischer chemisch Energie (Benzin oder Dieselöl) selöl) durch d rch eine eine explosionsartige explosionsa mische Energie erzeugt. anderem in mechanische zeugt. Diese Diese Energie wird unter u e Energie umgewandelt umgewa l – das Fahrzeug bewegt sich. Das Prinzip d des Ottomotors lässt läs sich ich in vier Takten beschreiben: 1. Takt: Ansauge Ansaugen Kolben bewegt sich im Zylinder n – Der Kolbe nde nach unten. Der niedrige nied ge Druck im Zylinder saugt ein Benzin-Luft-Gemisch an, das durch das eindringt. da offene Einlassventil Ein 2.. Takt: Verdichten sich nach oben. Dabei wird das Gemisch zusammenVerdicht – Beide Ventile sind geschlossen sen und der Kolben Ko ben bewegt be gepresst. wird presst. Der Druck und damit die Temperatur des es Gemisches wir d höher. h 3. Takt: sich das Gemisch. Explosionsartig dehnen sich die Gase aus, kt: Arbeiten – Durch einen Funken nken der Zündkerze dkerze entzündet entzü drücken den Kolben nach unten damitt die Kurbelwelle an. n und treiben trei 4. Takt: Ausstoßen – Der Kolben bewegt beweg sich wieder nach oben und drückt die Abgase aus dem Auslassventil. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien In den Zylindern eines laufen diese Takte zeitversetzt ständig ab. nes Motors lau en dies Takt 1 Takt 2 Nicolaus August Otto lebte von 1832 bis 1891. Er entwickelte bis 1876 aus der Dampfmaschine den 4-Takt-Ottomotor. Takt 3 Takt 4 Nachteil Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wird nicht nur mechanische Energie zum Antrieb erzeugt. Ein großer Teil der eingesetzten Energie wird als Wärmeenergie durch die Abgase in die Umwelt geblasen. Der sogenannte Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie tatsächlich genutzt wird. Der Wirkungsgrad des Ottomotors liegt gerade mal bei ca. 25 %. Das heißt, nur etwa ein Viertel der zugeführten Energie wird für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt. 6 Klippert Zeitgemäß unterrichten Wärme und Energie LS 07.M1b Dieselmotor und PowerPoint-Präsentation 1 Zylinder 2 Kolben 3 Pleuel 4 Kurbelwelle welle 5 Einlassventil ssven 6 Einspritzdüse Einspritzdüse Auslassventil 7 Auslass Schwungmasse 8 Sch In einem Verbrennungsmotor explosionsartige Verbrennung thertor wird aus chemischer chemisch Energie (Benzin oder Dieselöl) selöl) durch d rch eine ein explosions mische Energie erzeugt. anderem in mechanische – das Fahrzeug bewegt sich. zeugt. Diese Dies Energie wird unter u e Energie umgewandelt umgewan Dass Prinzip d des Dieselmotors lässt sich in vier Takten beschreiben: l Kolben bewegt sich im Zylinder 1. Takt: Ansaugen Ansaugen – Der Kolbe lind nach h unten. Der niedrige nie rige Druck Dru im Zylinder saugt Luft an, die durch das Einlassventil offene Einlassve til eindringt. eindrin 2.. Takt: Verdich Verdichten – Beide Ventile sind geschlossen sich nach oben. Dabei wird die Luft zusammengessen und der Kolben Kolben bewegt b presst in den Zylinder eingespritzt. esst und auf ca. 600 °C erwärmt. In diesem Augenblick enblick wird Dieselkraftstoff Dieselk 3. Takt: Arbeiten – Durch die hohe Temperatur von sich das Gas selbst. Explosionsartig dehnen sich die Gase kt: A Temp n ca. 600 °C entzündet e aus, drücken den Kolben nach unten und treiben damit amit die Kurbelwelle an. 4. Takt: Ausstoßen – Der Kolben beweg bewegt sich wieder nach oben und drückt die Abgase aus dem Auslassventil. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien In den Zylindern eines laufen diese Takte zeitversetzt ständig ab. nes Motors lauf en dies Takt 1 Takt 2 Rudolf Diesel lebte von 1858 bis 1913. Er war ein deutscher Ingenieur. 1892 meldete er seine Wärmekraftmaschine zum Patent in Berlin an. 1897 lief das erste funktionstüchtige Modell. Takt 3 Takt 4 Nachteil Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wird nicht nur mechanische Energie zum Antrieb erzeugt. Ein großer Teil der eingesetzten Energie wird als Wärmeenergie durch die Abgase in die Umwelt geblasen. Der sogenannte Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie tatsächlich genutzt wird. Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors (ca. 35 %) ist höher als bei einem Ottomotor (ca. 25 %). Allerdings stößt ein Dieselmotor mehr Ruß und Stickoxidteilchen in die Umwelt als ein Ottomotor. Aus diesem Grund fahren Dieselfahrzeuge mit Rußfiltern. 7 Klippert Zeitgemäß unterrichten Individuelle Förderung bei gleichzeitiger Lehrerentlastung Dieser Download ist ein Auszug aus dem Originaltitel Wärme und Temperatur – Wärme und Energie Über diesen Link gelangen Sie direkt zum Produkt: www.klippert-medien.de/go/dl9244 44 Weitere Downloads, E-Books und Print Print-Titel -Titel de des Programms ms von Klippert Medien finden SSiee unter ww www.klippert-medien.de. ww.k Bildquellenverzeichnis: 91/pD-old-1 S. 6: Nicolaus August Otto, 1832–18 1832–1891/pD-old-100. n Karl Diesel, 185 13 S. 7: Rudolf Chris Christian 1858–1913/pD-old-100. © 2017 Klippert lippert Med Medien AAP Lehrerfachverlage GmbH verlage Gmb Alle Rechte vorbehalten. behalten Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werks ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte oder für die Veröffentlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlags. Sind Internetadressen in diesem Werk angegeben, wurden diese vom Verlag sorgfältig geprüft. Da wir auf die externen Seiten weder inhaltliche noch gestalterische Einflussmöglichkeiten haben, können wir nicht garantieren, dass die Inhalte zu einem späteren Zeitpunkt noch dieselben sind wie zum Zeitpunkt der Drucklegung. Der Persen Verlag übernimmt deshalb keine Gewähr für die Aktualität und den Inhalt dieser Internetseiten oder solcher, die mit ihnen verlinkt sind, und schließt jegliche Haftung aus. Autor: Heike Hofmann Covergestaltung: fotosatz griesheim GmbH – Norbert Funk Umschlagfoto: © fotolia.com #56720726 Illustrationen: Steffen Jähde www.klippert-medien.de
