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Kerstin Neumann
Wärmelehre:
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Wärmeübertragung
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Physik selbst entdecken
Downloadauszug aus
dem Originaltitel:
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der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages.
Verstöße gegen diese Lizenzbedingungen werden strafrechtlich verfolgt.
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Wärmeübertragung
Ü1
Wärmeleitung
Material:
Topf mit heißem Wasser,
Körper aus verschiedenen
Materialien, Stoppuhr
1. Untersucht die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe.
Taucht dazu annähernd gleich dicke Gegenstände
gleichzeitig in heißes (aber nicht kochendes!) Wasser.
Schließt das Wassergefäß mit einem Pappdeckel, in den ihr vorher einen Schlitz für die Gegenstände
schnei­det. (So verhindert ihr, dass der Wasserdampf und die Wärmeströmung das Ergebnis beein­
flussen.)
Messt und notiert jeweils die Zeit, bis ihr eine Erwärmung spürt. Beachtet, dass ihr die Gegenstände
in gleichem Abstand von der Wärmequelle berührt, also beispielsweise unmittelbar über dem Deckel.
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Holz
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Stahl
Aluminium
Messing
Glas
Silber
Zinn
Kunststoff
2. Ordne die Stoffe an einem Pfeil an. Markiere gute Wärmeleiter ROT und schlechte
Wärmeleiter GRÜN.
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SCHLECHT
Luft
Wärmeleitfähigkeit
GUT
Messing
Wärmeleitung
Wärme wird von Körper zu Körper (z. B. von Ofenkachel
zu Mensch) oder innerhalb eines Körpers (z. B. innerhalb
der Ofenkacheln) übertragen.
1
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Verschiedene Materialien leiten die Wärme
unterschiedlich gut.
Wärmeübertragung
Wärmeströmung
Ü2
Material:
Alufolie, Kerze
Die Flügel einer Weihnachtspyramide werden durch Wärmeströmung
bewegt. Die Kerzen erwärmen die Luft, diese steigt auf und trifft auf
die Flügel, die sich dadurch in Bewegung setzen.
Der gleiche Effekt ist bei einer Spirale zu beobachten und soll von dir aus­
probiert werden.
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1.Spirale bauen
Zeichne auf einem Stück
Alufolie einen Kreis mit 8 cm
Radius und in diesen Kreis
eine Spirale.
Schneide die Spirale aus.
Bringe am Kreismittelpunkt
mit einer Nadel einen Faden an
und knote ihn zu einer
Schlaufe.
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2.Spirale testen
Halte die Spirale am Faden ruhig über eine Kerze und beobachte die Drehung. Probiere,
wann sich die Spirale am schnellsten dreht und wovon die Drehrichtung abhängt.
Pass auf, dass das Ende der Alu-Spirale nicht zu dicht an die Flamme kommt!
Wärmeströmung (Konvektion)
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Wärme wird durch strömende Flüssigkeiten oder
Gase übertragen (z.B. warme Luft über dem Ofen
strömt nach oben – es entsteht ein Kreislauf).
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2
Wärmeübertragung
Wärmestrahlung
Ü3
Material:
Rotlichtlampe, 2 Streichholz­
schachteln, 2 Thermometer,
z. B. Alufolie und schwarzer Stoff
30 °C im
Schatten
In Oskars Zelt ist es superheiß.
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In Magdalenas Zelt ist es nicht so heiß.
Simuliert diese Situation.
Verwendet eine Rotlichtlampe als Sonne und Streichholzschachteln als Zelte.
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1. Präpariert eine Schachtel so, dass die Temperatur darin möglichst hoch wird. In der anderen
Schachtel soll die Temperatur möglichst wenig ansteigen. Steckt jeweils ein Thermometer
durch ein möglichst kleines Loch.
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2. Bestrahlt beide Schachteln gleichzeitig
und im gleichen Abstand 1 Minute lang
und messt währenddessen die Innen temperatur der Schachteln.
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3. Gebt die jeweilige Temperaturerhöhung
an und formuliert eine Erkenntnis.
Wärmestrahlung
Wärmere Körper strahlen allseitig Wärme an ihre
kältere Umgebung ab (z. B. strahlt der Ofen Wärme
in alle Richtungen aus).
3
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Dunkle Oberflächen absorbieren die Wärmestrahlung,
helle reflektieren sie.
Wärmeübertragung
Wärmedämmung
Ü4
Hoffentlich ist der
Material:
Thermometer, 3 gleiche Becher­
gläser, viele verschiedene
Materialien zum Dämmen
Tee noch warm!
Wettbewerbsaufgabe:
Jeder Schüler eurer Gruppe soll 250 ml heißes Wasser (etwa 80 °C) in einem Becherglas 5 Minuten lang
so warm wie möglich halten. Wie und mit welchen Materialien dies geschieht, ist jedem selbst überlas­sen (z. B. Styropor, Alufolie, Wolle). Der Kasten unten hilft euch.
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1. Überlege dir eine „Warmhaltemöglichkeit“ und besorge die entsprechenden
Materialien.
2. Erhitzt Wasser in einem Wasserkocher bis kurz unter die Siedetemperatur (wenn es an fängt zu dampfen, aber noch nicht sprudelt) und gebt gleichzeitig jeder 250 ml Wasser
in die eigene Versuchsanordnung.
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3. Messt maximal 20 Minuten lang jeweils alle 2 Minuten die Temperatur.
Bestimmt am Schluss den Sieger.
4. Gebt einen Tipp, wie man Tee möglichst lange warm halten könnte.
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Die Thermoskanne
In einer Thermoskanne werden die drei
Arten der Wärmeübertragung ge­
dämmt:
Die Wärmeleitung wird durch das
Vakuum im Glasgefäß behindert.
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Die Wärmeströmung wird durch
den Stopfen unterbrochen.
Die Wärmestrahlung wird an der
verspiegelten Fläche reflektiert.
Stopfen aus Kork, Gummi
oder Kunststoff
Doppelwandiges Glasgefäß
innen und außen mit
Spiegelschicht überzogen,
innen luftleer (Vakuum)
Schutzhülle aus Metall oder
Kunststoff
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4
Wärmeübertragung
Ü5
Wärmequellen
Material:
Karten Wärmequellen,
Stein, Alutopf, Brenner,
Thermometer, Zange
1.Wärmequelle – ja oder nein?
Beispiel: Eine Katze sitzt im Schnee und gibt
an ihre Umgebung Wärme ab. Sie ist eine
natürliche Wärmequelle.
a) Ordnet die Karten „Wärmequellen“.
Sie enthalten:
4 x natürliche Wärmequellen,
4 x künstliche Wärmequellen,
4 x keine Wärmequellen.
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b) Notiere aus den Karten:
– die größte natürliche Wärmequelle,
– die künstliche Wärmequelle, deren Wärme abgabe eigentlich nicht erwünscht ist.
Finde jeweils ein weiteres Beispiel für eine natürliche und eine künstliche Wärmequelle.
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2.Ein Stein als Wärmequelle
Ein heißer Stein wird in kaltes Wasser gelegt und gibt an das Wasser solange Wärme ab, bis die
Temperaturen ausgeglichen sind. Dabei wird die Wärmeenergie des Wassers höher und die des
Steines geringer.
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a) Legt den Stein in einen Alutopf und gebt so viel kaltes Wasser
dazu, dass der Stein vollständig bedeckt ist.
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b) Bestimmt die Wassertemperatur.
c) Erhitzt den Stein 2 Minuten über der Flamme eines Bunsenbrenners.
d) Gebt diesen Stein dann in das kalte Wasser und bestimmt, wie lange es dauert, bis die Tempe raturen ausgeglichen sind, und auf welche Temperatur sich das Wasser erwärmt hat.
Wärmequellen
Alle Körper, deren Temperatur höher als die Umgebungstemperatur ist, sind Wärmequellen.
Diese Körper geben an die kältere Umgebung Wärme ab.
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Man unterscheidet natürliche und künstliche Wärmequellen. Natürliche Wärmequellen sind
z. B. die Sonne, ein Feuer oder heiße Lava. Künstliche Wärmequellen sind vom Menschen
geschaffene Wärmequellen, z. B. ein Heißlüfter, eine Streichholzflamme oder ein Bügeleisen.
Karten – Wärmequellen
heiße Herdplatte
Mensch in Winterluft
Ostsee bei –3 °C
Lufttemperatur
Thermoskanne
geheizter Ofen
Sonne
Mütze
Kerzenflamme
Blitz
Bärenfell
Glühlampe
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Mensch in der Sauna
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Wärmeübertragung – Wärmeleitung
Karte Ü1
1. Anstelle der Gegenstände können auch entsprechende „Krampen“ (gebogene Elemente/Klam­
mern aus verschiedenen Materialien) verwendet werden, dann ist ein Deckel nicht erforderlich.
2.
Schlechte Wärmeleiter
Gute Wärmeleiter
Luft Holz Kunststoff Glas Stahl Blei Messing Aluminium Kupfer
Karte Ü2
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Wärmeübertragung – Wärmeströmung
2. Die Spirale dreht sich in Richtung der unteren Öffnung. Die Geschwindigkeit ist unter anderem
abhängig von der Größe der Angriffsfläche. Eine Spirale mit breiteren Streifen dreht sich somit
schneller. Auch ist die Geschwindigkeit größer, wenn sich die Spirale nicht mittig über der Ker­
zenflamme befindet, sondern etwas versetzt ist.
Karte Ü3
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Wärmeübertragung – Wärmestrahlung
1. Für ein korrektes Ergebnis ist darauf zu achten, dass das Loch möglichst klein ist, durch das
jeweils der Messfühler des Thermometers in die Streichholzschachtel gesteckt wird.
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3. Wird die Streichholzschachtel in Alufolie gewickelt, dann wird die Wärmestrahlung reflektiert,
die Temperatur steigt weniger an (um ca. 25 K).
Wird die Streichholzschachtel in schwarzen Stoff gewickelt, dann wird die Wärmestrahlung
absorbiert, die Temperatur steigt stärker an (um ca. 35 K).
Karte Ü4
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Wärmeübertragung – Wärmedämmung
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1. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Wärmeübertragung einzudämmen, z. B.:
• Verwendung eines Deckels;
• Becherglas in ein größeres Gefäß geben und dämmende Stoffe (z. B. Styropor, Wolle)
in den Zwischenraum geben;
• Becherglas mit Alufolie umhüllen.
Je mehr Möglichkeiten man kombiniert, desto größer ist die Wärmedämmung.
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3. Beispielmesswerte: Temperatur-Zeit-Diagramm
75
70
65
60
55
U
A
50
45
0
5
10
15
20
25
30
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4. Tipp: Man könnte ein Thermosgefäß mit Deckel benutzen. Hierbei werden sowohl die
Wärmeströmung (Deckel) als auch die Wärmestrahlung (verspiegelte Fläche) und die
Wärmeleitung (Isolierschicht als Vakuum) eingedämmt.
Karte Ü5
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Wärmeübertragung – Wärmequellen
1. a) 4 x natürliche Wärmequellen:
Mensch in Winterluft, Ostsee bei –3 °C Lufttemperatur, Sonne, Blitz
4 x künstliche Wärmequellen:
Kerzenflamme, heiße Herdplatte, Glühlampe, geheizter Ofen
4 x keine Wärmequellen:
Thermoskanne, Mütze, Bärenfell, Mensch in der Sauna
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b) größte natürliche Wärmequelle: Sonne
künstliche Wärmequelle, deren Wärmeabgabe eigentlich nicht erwünscht ist: Glühlampe
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2. d) Der Stein gibt solange seine Wärme an das Wasser ab, bis die Temperaturen ausgeglichen
sind. Dies wird daran sichtbar, dass die Wassertemperatur nicht weiter steigt.
Übungskarten Wärmeübertragung
_____________________
falten – – – – – – – – – – – –
Hellere Kleidung
reflektiert die
Wärmestrahlung,
dunklere absorbiert
sie und erwärmt sich
somit stärker.
Wärmeleitung
Warum ist im Sommer
helle Kleidung günstiger
als dunkle?
Kochen über Feuer
Wärmequellen
Kochen über Feuer
Ü
Über dem Lagerfeuer wird in
einem Topf Suppe gekocht
und mit einer Kelle entnom­
men.
Erläutere die drei Arten der
Wärmeübertragung.
Ü
Eine kleine, leichte
Weihnachtspyramide
dreht sich bereits, wenn
man sie auf eine
Heizung stellt.
Warum?
Natürliche Wärmequellen:
Sonne, Eisbär
• Wärmeströmung: Kork­
stopfen
• Wärmestrahlung: verspie­
gelte Flächen reflektieren
• Wärmeleitung: Doppel­
wand mit Vakuum
Wärmedämmung
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Wärmeströmung
• Wärmeleitung:
Topf – Suppe – Kelle
• Wärmeströmung: heiße Luft
über dem Feuer strömt um
den Topf, heiße Suppe am
Boden strömt nach oben
• Wärmestrahlung: Feuer
strahlt Wärme allseitig an
die Umgebung
Wie werden bei einer
Thermosflasche Wärmeleitung, Wärmestrahlung
und Wärmeströmung
verringert?
Ü
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Wärmequellen
Ü
Welches sind natürliche
Wärmequellen?
Kerzenflamme, Wollpullover,
Herdplatte, Sonne, Eisbär
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© AOL-Verlag
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung
Wärmeströmung
Kunststoffe leiten die
Wärme wesentlich
schlechter als Metalle.
Ü
Warum sind beispielsweise
Topfgriffe aus Kunststoff
und nicht aus Alu?
Wärmedämmung
Die warme Luft über der
Heizung strömt nach oben
und bewegt die Flügel der
Pyramide.
Wärmeleitung
Engagiert unterrichten.
Natürlich lernen.
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Wärmelehre: Wärmeübertragung
Kerstin Neumann ist seit 25 Jahren Lehrerin und engagiert sich als Fachberaterin, Autorin und in bundesweiten Fortbild­ungen insbesondere für die Entwicklung des mathematisch-naturwissenschaftlichen
Unterrichts. Derzeit ist sie am Sächsischen Bildungsinstitut tätig.
© 2014 AOL-Verlag, Hamburg
AAP Lehrerfachverlage GmbH
Alle Rechte vorbehalten.
Postfach 900362 · 21043 Hamburg
Fon (040) 32 50 83-060 · Fax (040) 32 50 83-050
[email protected] · www.aol-verlag.de
Redaktion: Daniel Marquardt
Layout/Satz: MouseDesign Medien AG, Zeven
Illustration: MouseDesign Medien AG, Zeven
Bestellnr.: 8114DA2
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