Wärmetransport, Wärme- dämmung, Wärmemenge
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Heike Hofmann Wärmetransport, Wärmedämmung, Wärmemenge 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. LS 03 Wärme und Energie LS 03 Wärmetransport im „Marktplatz“ untersuchen Zeit Lernaktivitäten 1 PL 5’ L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunde. 2 EA 20’ Die S erarbeiten an einem „Marktstand“ eine der Wärmetransportarten. 3 PA 10’ Im Tandem besprechen die S ihre Ergebnisse und planen die Gruppenpräsentation. 4 GA 30’ Die S informieren sich auf dem „Marktplatz“ über die Wärmetransportarten in mindestens 3 Runden. 5 PA 10’ In PA planen die S eine Präsentation im Plenum. 6 PL 15’ Ausgewählte Tandems stellen ihre Ergebnisse vor. Material M1 bis M4 Karten, Pinnnadeln, dicke Stifte, n Klebestreifen Kompetenzen – aktiv zuhören – Fachwissen selbstständig erschließen – Experimente planen und durchführen – Sachverhalte strukturiert darstellen und zusammenfassen – Be Beispiele zur Erläuterung phys physikalischer Sachverhalte heran heranziehen M5 Erläuterungen zur Lernspirale Ziel der Doppelstunde ist es, die Wärmetransportng zu arten Wärmeleitung, -strömung und -strahlung erkennen, voneinander zu unterscheiden und an n u wird der Kla Beispielen erklären zu können. Dazu Klasnutzt. Gruppentisch senraum als „Marktplatz“ genutzt. Gruppentische e „Markstände“. An jeje für max. 6 Schüler bilden die egen in ents prechender Anz dem Marktstand liegen entsprechender Anzahl erte Inf ationskarten bereit. reit. Sie sind jelaminierte Informationskarten eils auf der Rü kseite von 1 bis 6 nummeriert. weils Rückseite Zum Ablauf im Ein Einzelnen: Im 1. Arbeitsschr Arbeitsschritt erläutert der Lehrer den geten Stunde planten Stundenverlauf. Da an den „Marktstänn können, kö den“ kleine Versuche gemacht werden ist uer hinzu auf den Umgang mit offenem Feuer hinzuweisen. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien uchen sich d e Schü Im 2. Arbeitsschritt suchen die Schüler einen m „Markt“ aus. Für F r jeden jede SchüArbeitsplatz auf de dem ler befindet sich eine identische Infor Informationskarte d. In Einzelarbeit Einze beit bearbeiten bearb am Stand. die Schüler an ihrem selbstt gewählte gewählten Marktstand die Theman sie die Informationskarten In tik. Dazu lesen und mazen chen sich Notizen. Im 3. Arbeitsschritt erfolgt der Austausch über die gewonnen Erkenntnisse mit einen Partner vom Marktstand. Klärende Gespräche und Nachfragen innerhalb der Gruppe sind ausdrücklich erlaubt. Außerdem führen sie einen Versuch gemeinsam in der Gruppe durch. Dazu liegt jeweils die Informationskarte M1b bis M4b bereit. Der Lehrer entscheidet selbst, ob das Experimentiermaterial bereits am Marktstand steht oder ob die Schüler es sich holen sollen. Am Ende dieser Phase sollte jeder Schüler in der Lage sein, die Wärmetransport- Merkposten Merkpo art bzw ma the cht zu bzw. das Th Thema thermisches Gleichgewicht erklären und nd am Beispiel zu verdeutlichen. Im folg ritt w n die Inforrfolgenden 4. Arbeitsschritt werden ma ngebot n. Dazu vermationen auf dem „Markt“ angeboten. ler mi mmer 1 am bleibt jeweils der Schüler mit der Nu Nummer eren suchen suche sich einen ei Marktstand. Alle anderen neuen ie präsentierenden präsentierenden Schüler chüle erhalten Stand aus. Die mieren u Zeit, die anderen zu in informieren und Versuche vorzuf n bzw. zu erläutern. erläutern. Die „Gäste“ am Marktzuführen len Fragen und machen sich Notizen, um stand stellen ür den nä hsten Arbeitsschritt vorbereitet zu sein. für nächsten Abschluss der ersten Runde kommt der SchüNach Abschluss ler mit d der Nummer 2 an den ursprünglichen M Marktstand zurück. Alle anderen suchen sich einen neuen Stand. Jeder Schüler sollte alle Wärmetransportarten an einem Marktstand besucht haben. Jede der InformaJede Inform tionskarten tion rten M1a bis M4a ssollte e auf vverschiedenen Farben chiede 6-mal mal kopiert und laminiert werden. Bei mehr als 24 Schülern sollte es einen Markstand doppelt geben. Materialliste: Holzklötzchen Nägel Messbecher Thermometer Wasserkocher Messuhr Mit einem Partner arbeiten die Schüler im 5. Arbeitsschritt die Informationen aus den Marktplatzrunden auf. Sie klären ihre Fragen, rekapitulieren und vervollständigen eine Übersicht (M5). Damit bereiten sie sich auf einen kurzen Vortrag vor, der auch durch einen der Versuche unterstützt werden kann. Die partnerschaftlichen Runden können mehrfach stattfinden, um so mehr Sicherheit bei den Schülern zu gewährleisten. Stäbchen aus verschiedenen Materialien Flügelrad Reflektorlampe Gerät zur Wärmeleitung Reagenzgläser Im letzten, 6. Arbeitsschritt werden einzelne Schüler ausgelost, die über Wärmeleitung, -strömung oder -strahlung berichten sollen. Noch offene Fragen können in einer abschließenden Runde geklärt werden. 1 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 03.M1a+b Wärme und Energie 03 Wärmetransport im „Marktplatz“ untersuchen LS 03.M1a – Thermisches Gleichgewicht Kannst du sagen, was ein thermisches Gleichgewicht ist und wie es dazu kommt? Ein tiefgefrorenes Produkt hat mindestens eine Temperatur ϑ von −18 °C. Was passiert mit ihm, wenn es der Raumtemperatur von etwa 20 °C ausgesetzt wird? Natürlich, es taut auf. Warum ist das so? In der höheren Raumtemperatur steckt mehr thermische Energie als im Gefriergut. Mit dieser Energie wird das Gefrorene aufgetaut. Dies kann geschehen, weil vom wärmeren zum kälteren Körper ein thermischer Strom fließt, bis der Temperaturunterschied ausgeglichen ist. Die Höhe des Temperaturunterschiedes ist der Antrieb für den det der de thermischen Strom. Je höher er ist, desto schneller findet Temperaturausgleich statt. rmiSind die Temperaturen der beiden Körper gleich, ist das thermiche Strom verersche Gleichgewicht hergestellt und der thermische siegt. thermischer Strom Raum mit hoher Temperatur hoch Gefrorenes mit niedriger Temperatur tief Temperatur: Formelzeiche n: ϑ (Theta) (The – Einheit: °C (Grad Celsius) Formelzeichen: T mperaturu Temperaturunterschied = ho Temperatur − niedrige Temperatur mperatur hohe ΔT = ϑhoch − ϑtief ΔT = 20 °C − (−18°C) 18°C) hen Gleichgewicht Gleichgew cht durch. dur Führe den Versuch zum thermischen Δ = 38 K ΔT LS 03.M 03.M1b 1b – Versuchsbeschreibung Versu b Mater Material: Wasserkocher, zwei Thermometer, zwei Becherrser, Messuhr Mess gläser, Versuchsaufbau: Versuch urchführung: Versuchsdurchführung: ühre den Versuch ersuc durch und notiere die Werte in der Tabelle: Führe Zeit in s 0 30 60 90 120 150 180 210 ϑhoch ϑtief Trage die Werte in das Zeit-Temperatur-Diagramm ein: Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien Temperatur in °C 50 40 Baut den Versuch auf. Die zwei Bechergläser müssen ineinanderpassen. Fülle ins innere Glas heißes Wasser (ca. 50 °C). Im äußeren Glas ist kaltes Leitungswasser. Rühre regelmäßig um und miss die Temperaturen in beiden Bechergläsern im Abstand von 30 s. 30 20 10 t in s 30 60 90 120 150 180 210 240 2 Klippert Zeitgemäß unterrichten Wärme und Energie LS 03.M2a+b LS 03.M2a – Wärmeleitung Kannst du sagen, was Wärmeleitung bedeutet und was gute und schlechte Wärmeleiter sind? Wärmeleitung findet in festen Körpern statt. Zum Beispiel in einem Löffel, der in einer heißen Tasse Tee steht. Dies geschieht, weil sich ein thermischer Strom vom unteren Teil des Löffels bis zum Ende ausbreitet. Durch die Wärme bewegen sich die Teilchen im Löffel immer mehr und stoßen ihre Nachbarn an. Diese Bewegung wird durch den ganzen Löffel hindurch fortgesetzt. Die erhöhte Bewegung der Teilchen bedeutet aber auch eine erhöhte thermische Energie. Der Löffel wird warm. Wie groß dieser thermische Strom ist, st, hängt unter anderem rper besteht. Alle le Metalle leivom Material ab, aus dem der Körper nd sschlechte ten Wärme gut. Glas, Holz, Kunststoffe dagegen sind Wärmeleiter. Man nennt sie auch Isolatoren. nn noch Zeit Z zur Verfügug steht, ht, fü Wenn führe einen der Versuche zur Wärmeleitu g durch. durc Wärmeleitung Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien LS 03 03.M2b – Versuchsbeschreibung bes bung Material: Becherglas, heißes Wasser, Stäbchen Stäbchen aus au löffel Holz, Kupfer, Glas, Trinkstäbchen, Al Alulöffel Material: Nagel, Kerze Material: Wasserkocher, Gerät zur Wärmeleitung saufbau: Versuchsaufbau: Versuchsaufbau: Versuchsaufbau: Stelle wie im Bild verschiedene möglichst gleich lange Körper in ein Becherglas mit heißem Wasser. Berühre nach einiger Zeit die Körper am oberen Ende. Was stellst du fest? Halte den Nagel am äußersten Rand fest. Richte das anderen Ende in die Kerzenflamme. Was merkst du nach kurzer Zeit? VORSICHT! HITZE! Führe den Versuch durch. Im Behälter befindet sich heißes Wasser. Alle Stoffproben stehen mit einem Ende im Wasser. Bei guten Wärmeleitern verfärbt sich die gelbe Umhüllung am schnellsten. Was beobachtest du? 3 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 03.M3a+b Wärme und Energie LS 03.M3a – Wärmeströmung (Konvektion) Kannst du sagen, was Wärmeströmung bedeutet, und Beispiele nennen? Wärmeströmung, auch Konvektion genannt, findet in flüssigen und gasförmigen Körpern statt. So wird zum Beispiel in einem Wohnraum die Luft erwärmt. Die Luft, die vom Heizkörper erwärmt wird, steigt nach oben. Die Luftteilchen führen die Wärme als thermischen Strom mit sich nach oben, denn warme Luft ist leichter als kalte. Am Boden des Raumes strömt kalte Luft nach. Wie groß dieser thermische Strom m ist, hängt unter anderem vom Stoff ab, der die Wärme transportiert. Unsere Natur wird erheblich Wasserströmungen ch von Luft- und Was d zum Beispiel durch dur die Strömunbeeinflusst. Unser Wetter wi wird ch- und Tiefd ckgebiet bestimmt. Der Golfgen zwischen HochTiefdruckgebieten trom transpo iert warmes Wasser W strom transportiert aus der Karibik bis zu den Küsten Irlands, Großbritanniens, Großbritanni nd Russlands. Ru ds. Norwegens und Dank der Wärmeströmung Wärm trömung können über Zentralheizungsanlaalheizungs gen große Wärm Wärmemengen in die Wohnungen der Menschen ansportiert werden. w e der Fahrzeutransportiert Aber auch die Kühlsysteme ärm rts, damit die ge basiere basieren auf der Nutzung des Wärmetransports, Motoren nicht überhitzen. ügug ssteht, teht, fü Wenn noch Zeit zur Verfügug führe einen d der Versuche ng durch. zur Wärmeströmung Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien LS 03.M3b 3.M3b – Vers Versuchsbeschreibung V Material: Teelicht, Flügelrad (mit Lagerung) Material: Stativmaterial, Glasrohr zur Wärmeströmung, Färbemittel, Brenner, Thermometer Versuchsaufbau: Versuchsaufbau: Stelle den Versuch nach. Beobachte, was mit dem Flügelrad geschieht. Im Glasrohr befindet sich Wasser. Gib etwas Färbemittel dazu. Dann wird das Rohr an einer Ecke erwärmt. Miss nun mit dem Thermometer die Temperatur und beobachte, was passiert. 4 Klippert Zeitgemäß unterrichten Wärme und Energie LS 03.M4a+b LS 03.M4a – Wärmestrahlung Kannst du sagen, was Wärmestrahlung bedeutet? Wärmestrahlung ist eine Form des Wärmetransports. Die für uns wichtigste Wärmequelle ist die Sonne. Ihre Wärme wird durch das Weltall transportiert. Genau wie bei einem Lagerfeuer ist kein direkter Kontakt nötig, um die Wärme zu spüren. Der thermische Strom wird durch Strahlung transportiert. Je nachdem, auf welche Oberfläche die Strahlung ahlu ung trifft, wird sie si rflächen flächen refl flekreflektiert oder absorbiert. Helle und glatte Ob Oberfl Oberflä flächen. en. Bei einem ein tieren mehr Strahlung als dunkle, raue Oberfl n zum Beispiel diese Tatsache atsa Sonnenkollektor nutzt man aus. nklen Schlauch gelei Wasser wird durch einen dunklen geleitet. Es erwärmt sorbierte St ahlung. Das w sich durch die absorbierte Strahlung. warme Wasser wird n in Wohnhäusern Wohn usern oder Schwimmbädern Sc mmb dann genutzt. Verfügu steht, führe einen n der Versuche Ve e Wenn noch Zeit zur Verfügug Wärmestrah zur Wärmestrahlung durch. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien LS 03.M4b – Versuchsbeschreibung rsuchsbe ung Material: ometer, Al folie, Refl flektorla 2 Thermometer, Alufolie, ektorlampe, Kerze Material: 2 Thermometer, Reflektorlampe, 2 Reagenzgläser mit Wasser, Papier fbau: Versuchsaufbau: Versuchsaufbau: Stelle eine Reflektorlampe für ca. 5 min vor zwei gleichartige Thermometer. Beide Thermometer sind an den Vorratsbehältern mit einer Alufolie bedeckt. Eine Alufolie wurde mithilfe der Kerze berußt. Beschreibe deine Beobachtung! Beide Reagenzgläser sind bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Eine Reflektorlampe steht ca. 10 cm vor den Reagenzgläsern. Mit den Thermometern wird die Temperatur gemessen. Ein Reagenzglas wird mit einem Blatt Papier verdeckt, dann wird die Lampe angeschaltet. Nach ca. 5 min werden die Temperaturen erneut gemessen. Was stellst du fest? 5 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 03.M5 Wärme und Energie Zusammenfassende Übersicht Wärmeübertragung Geht Wärme von einem in einen Körper über, nennt man das . Antrieb für den thermischen Strom ist der . Er berechnet sich aus der der Temperatur des wärmeren und des kälteren Körpers. Wird einem Körper führt, zugesich die Teil- chen, aus denen er besteht, Sie geben durch . Stoß ihre Die Wärme wird durch die einer Flüssigkeit oder einem portiert. Sie wird auch in transge- nannt. Wenn Wärme ärm durch portiert wird, w wird kein be- wegt. gt. Sie kann durch Gase, Ga Flüssigketen oder an feste Körper örper benachbarte Teilchen weiter. Der Körper selbst trans- oder werden. sich nicht. Beispiele: piele: Beispiele: Beispiele: Beisp Lösung zu „Zu „Zusammenfassende usammenfassen Übersicht“ Wärmeübertragung Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien e von ein Geht Wärme einem wärmeres in einen kälteren Körper über, nennt man das thermischen Strom. Antrieb für den thermischen Strom ist der T Temperaturunterschied. Er berechnet sich aus der Differenz der Temperatur des wärmeren und des kälteren Körpers. Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmestrahlung Wird einem Körper Wärme zugeführt, bewegen sich die Teilchen, aus denen er besteht, mehr. Sie geben durch Stoß ihre thermische Energie an benachbarte Teilchen weiter. Der Körper selbst bewegt sich nicht. Die Wärme wird durch die Strömung in einer Flüssigkeit oder einem Gas transportiert. Sie wird auch Konvektion genannt. Wenn Wärme durch Strahlung transportiert wird, wird kein Stoff (Material) bewegt. Sie kann durch Gase, Flüssigkeiten oder feste Körper absorbiert oder reflektiert werden. Beispiele: Lötkolben Topfboden Bügeleisen Löffel in heißem Tee Beispiele: Meeresströmungen (Golfstrom) Zentralheizung Kühlung im Auto Kühlung für PCs Beispiele: Rotlichtlampe Sonne Lagerfeuer Sonnenkollektor 6 Klippert Zeitgemäß unterrichten Wärme und Energie LS 04 LS 04 Die Wärmedämmung im Experiment untersuchen und protokollieren Zeit Lernaktivitäten 1 PL 5’ L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunden. 2 EA 10’ Die S lesen den Arbeitsauftrag und überlegen ihr Vorgehen zum Modellbau und zur Versuchsdurchführung. 3 PA 30’ (1. Stunde) Die Tandems beratschlagen sich und klären Fragen. Sie lösen die Aufgaben „Vor dem Experiment“ aus dem Arbeitsauftrag. 4 PA 40’ (2. Stunde mit Zeit zum Wegräumen) Die Tandems führen den Versuch durch und führen Protokoll. 5 GA 25’ rholen Zwei ei Tan(3. Stunde mit Zeit zum Wiederholen) se wechselseitig wec elseitig vor dems stellen sich ihre Ergebnisse und diskutieren diese. 6 PL 15’ n über die E gebnise des Ausgeloste S berichten Ergebnise us der GA-Phase zweiten Tandems aaus GA-Phase. Material M1 Kompetenzen – ein Modell zur Darstellung eines physikalischen Sachverhaltes entwickeln – einen Versuch planen, durchführen und auswerten – sich über physikalische Erk Erkenntnisse zur Wärmedämmung austauschen – fachlic fachlich diskutieren M2, aterial n Materialien (siehe Merk Merkposten) Erläuterungen zur Lernspirale nspirale Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien Ziel der Stunden oder Doppels Doppelstunden unden ist die Plag, Durchführung Durchfüh ng und Auswertung Auswe g eines ei nung, Experiments zur Wärme dämmung. Dazu Da sollen die SchüWärmedämmung. ler erst allein, dan n mit einem Partner einen Verrdann uch planen und durchführen, bei dem sie zweii such erschiedliche Varianten der Dämmung eines unterschiedliche es (Schu Hauses (Schuhkarton) planen. In einer Gruppe von hü ließen die Ervier Schülern stellen sie sich anschließend er Abweichungen Abw gebnisse vor und diskutieren über E fahrun bei den Ergebnissen und ihre Erfahrungen beim Experimentieren. uf im Einz nen: Zum Ablauf Einzelnen: eitsschrit er äutert d Im 1. Arbeitsschritt erläutert der Lehrer den gedenverlauf Das zur Verfügung steplanten Stundenverlauf. al wird vorgestellt und das Ziel des hende Material Versuchs erläutert. Im 2. Arbeitsschritt erarbeiten sich die Schüler in Einzelarbeit ihren Arbeitsauftrag (M1) und überlegen, welche Dämmvariante sie einsetzen wollen. Dazu sondieren sie das vorhandene Material, formulieren eine Begründung und planen einen Versuchsaufbau für ein Experiment zum Nachweis des geringeren Energieverlustes durch Dämmung. Um möglichst alle Dämmstoffe experimentell zu untersuchen, kann der Lehrer an jeweils zwei Dämmstoffe Kreuze machen. Zwischen diesen Dämmstoffen kann der Schüler wählen. Merkposten rtner statt. Die Partner Pa schritt mit einem Partner einieinsames Vorgehen, Vo geh gen sich auf ein gem gemeinsames wählen mmvariante aus und bere ihre Dämmvariante bereiten ihr Versuchsprot or protokoll entsprechend vvor. m 4. Arbei sschri folgt die Durchführung des ExIm Arbeitsschritt periments. Dazu D erhalten die Schüler auf ca. 50 °C e erwärmte Steine (möglichst gleich große) vom Le Lehrer. Die Schüler nehmen die Messwerte über einen Zeitraum von mindestens 40 min auf und tragen diese im Protokoll ein. In der verbleibenden Zeit werden die Messergebnisse in einem ZeitTemperatur-Diagramm ausgewertet. Erste Einschätzungen und Auswertungen werden notiert. Im 5. Arbeitsschritt tauschen sich je zwei Tandems über ihre Ergebnisse aus. Dabei beschreiben sie ihre Wahl des Dämmstoffes, ihr experimentelles Vorgehen und ihre Ergebnisse. Die Tandems sind ausdrücklich aufgefordert, gegenseitig nachzufragen und Auffälligkeiten anzusprechen sowie kritisch zu hinterfragen. Zur Bearbeitung dieser Lernspirale sollte jeder Schüler einen leeren Schuhkarton mitbringen. Das Material M1 sollte in Klassenstärke kopiert werden. Ist es auf farbigem Papier kopiert, kann der Farbcode zur Gruppeneinteilung benutzt werden. Material: Thermometer oder Messfühler, Gummis oder Strick, Steine, Dämmstoffe wie Sand, Styropor, Watte, Papier, Holzspäne, Luftpolsterfolie, … sollten in ausreichender Menge vorhanden sein. Im abschließenden 6. Arbeitsschritt erläutern ausgeloste Tandems jeweils das Vorgehen und die Ergebnisse des anderen Tandems aus der Gruppenarbeitsphase. So wird sichergestellt, dass während der Gruppenarbeitsphase ein intensiver themengebundener Austausch stattfindet. Die Vorstellung der eigenen Idee und klärende Gespräche zur Durchführung finden im 3. Arbeits- 7 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 04.M1 Wärme und Energie 04 Die Wärmedämmung im Experiment untersuchen und protokollieren Arbeitsauftrag Geringere Heizkosten durch gute Dämm Dämmung ng Ein einleuchtendes Beispiel für unerwünschten W Wärmetransport ist der Wärmeverlust meverlu bei Wohnhäusern. Wohnhäusern. Hier kann unter anderem n (Wärmeleitung (Wärmeleitun und Wärmestrahlung) und durch undichte und hte Fenster Fe Wärme durch die Hausmaue Hausmauern und Türen (Wärmeströmung) ren gehen. geh verloren Mit einer guten Dämmung kan ens im Winter weniger niger Wärme W kann man dafür sorgen, dass erstens verloren geht und zweitens im Sommer nicht zu viel vie Wärme ins Haus kommt. Gute Dämmungen Dämmu S offen, die schlechte Wärmeleiter sind, sogenannte bestehen aus Stoffen, Isolat Isolatoren. Expe Vorr dem Experiment: u sollst sol in einem Experiment herausfi eraus nden, welche der dir zur Verfügung stehenden Dämmstoffe besonders gute Isolatoren 1. Du mstoff au sind. Wähle dazu einen Dämmstoff aus, den du mit e einem Partner untersuchen willst. Dir stehen folgende Dämmstoffe ämmstoffe zur zu Verfügung: Sand Holz Holzspäne Luftpolsterfolie te Watte Styropor Papier Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien 2. Studiere das Protok Protokoll und versuche nachzuvollziehen, wie das Experiment durchgeführt werden soll. ich m 3. Tausche dich mit einem Partner über den Verlauf aus. Klärt offene Fragen zum geplanten Experiment. Einigt euch auf einen Dämmstoff. 4. Die von euch mitgebrachten Schuhkartons sollen die Modellhäuser darstellen. Sie sollten etwa die gleiche Größe haben. Präpariert sie so, dass mit einem Thermometer (oder Messfühler) im Inneren die Temperatur gemessen werden kann. Der Messzeitraum beträgt mindestens 20 Minuten. 5. Dämmt eines der Häuser an den Wänden, dem Boden und dem Dach mit dem gewählten Dämmmaterial. Das zweite bleibt ohne Dämmung. Während des Experiments: 1. Legt einen erwärmten Stein in beide Modellhäuser. 2. Messt alle 5 min die Temperaturen und trage sie in die Tabelle ein. 3. Übertragt die Werte in das Zeit-Temperatur-Diagramm. Nach dem Experiment: 1. Bewerte dein Ergebnis. 2. Wo können Fehler aufgetreten sein? 8 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 04.M2 Wärme und Energie Protokoll zur Wärmedämmung Partner: Datum: Protokoll zur Wärmedämmung 1. Vorbereitung: Material: zwei Modellhäuser, Dämmstoff, Gummi, zwei Thermometer zwei erwärmte Steine (Vorsicht!) Versuchaufbau: 2. Versuchsdurchführung: elegt. Anschließend Ans hließend werden die Häuser verschlossen. ossen. In beide Modellhäuser wird ein erwärmter Stein gelegt. ur in beiden Häusen Häu en gemessen gem getragen. Im Abstand von 5 Minuten wird die Temperatur und in die Tabelle eingetragen. -Diag amm übertrage bnis? Die Werte werden in das Zeit-Temperatur-Diagramm übertragen. W Wie bewertest du da das Ergebnis? Der eingesetzte Dämmstoff: Zeit in min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 mit Dämmsto Dämmstoff ohne Dämmstoff Dämmstoff 3.. Auswertung: Temperatur in °C 60 0 50 5 40 Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien 30 20 10 Zeit in min 5 10 15 20 25 30 35 40 45 9 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 05 Wärme und Energie LS 05 Abhängigkeit und Berechnung der Wärmemenge im Gruppenlesen erarbeiten Zeit Lernaktivitäten 1 PL 5’ L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunde. 2 EA 10’ Jeder Schüler liest den Informationstext und unterteilt ihn in Abschnitte. 3 GA 30’ Die S einigen sich auf eine sinnvolle Unterteilung des Textes, lesen ihn und formulieren Fragen, Antworten und fassen jeden Abschnitt nach dem Prinzip des Gruppenlesens zusammen. 4 PA 20’ Tandems erarbeiten eine Zusammenfassung und stellen diese einem zweiten Tandem vor. 5 EA 10’ Die S lösen ein Berechnungsbeispiel. 6 GA 5’ Austausch in aufgabengleichen G Gruppen. 7 PL 10’ ren ihre ihr Ergebnisse. rgebnisse. Ausgeloste Tandems präsentieren Tipp: Die Aufgaben aus M2 sind mit Sternchen für den Schwierigkeitsgrad versehen. Eventuell kann eine der Aufgaben auch als Hausaufgabe werden.. verwendet werde M1 Kompetenzen – einen Fachtext sinnerfassend lesen – Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen erarbeiten – Kenntnisse über physikalische Sac Sachverhalte wiedergeben – Phys Physikalische Größen berechnen – aktiv zu zuhören M2 Erläuterungen zur ur Lernspiral Lernspirale Ziel der Doppelstunde oppelstund ist die Erarbei Erarbeitung der Abigkeit der Wärm menge hängigkeit Wärmemengenabgabe bzw. -aufahme von der Stoffm nahme Stoffmenge, der Temperaturänderun g und der Stoffart, sodass die Formel Q = c m ΔTT rung einge ührt wir auf eeingeführt wird. Da die abgegebene oderr aufgenomm eW nderung de nommene Wärme eines Körpers der Änderung der ther ntsp thermischen Energie entspricht, schreibt man au auch: ΔE = c m ΔT. en: Zum Ablauf im Einzelnen: s äutert der Lehr Im 1. Arbeitsschritt erläutert Lehrer den gen Stundenverlauf, Stunde V planten die Vorgehensweise beim rup enlese wird erläutert utert und Vierergruppen Gruppenlesen werde werden gebild gebildet. Dies kann zum Beispiel durch nfache Abzäh einfaches Abzählen geschehen. Nachdem die Schüler im 2. Arbeitsschritt den Inform formationstext (M1) überflogen haben, unterteilen sie ihn in sinnvolle Abschnitte. Im 3. Arbeitsschritt vergleichen die Schüler ihre Einteilung der Abschnitte und legen sich fest. Dies markieren sie am besten mit einem Bleistift. Anschließend wird der Informationstext nach der Methode des Gruppenlesens (Info-Kasten) bearbeitet. Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien Material In Tandems erstellen die Schüler im 4. Arbeitsschritt eine Zusammenfassung der Informationen aus dem Text. Diese Zusammenfassung wird einem zweiten Tandem vorgestellt. Eventuell muss ergänzt und berichtigt werden. In einem hier nicht aufgeführten Zwischenschritt kann ein Tandem aufgefordert werden, die Zwischenergebnisse zu präsentieren. m 5. A tsschritt erhalten die Sc Im Arbeitsschritt Schüler ein Bechnung eispiel mit der Aufgabe, Au rechnungsbeispiel eine ähnliche Re hnung durchzuführe Rechnung durchzuführen. Dazu werden die versch hiedenen enen Aufgaben A schiedenen (LS 05.M2) unter den Schülern ve teilt. verteilt. Schül Schüler mit der gleichen Aufgabe kommen im 6. Arbeitsschritt zusammen und vergleichen ihre Vorgehensweise, ihre Rechnung und ihr Ergebnis. Im letzten 7. Arbeitsschritt präsentiert je ein Schüler einer Aufgabengruppe sein Ergebnis. Abschließend können Schwierigkeiten bei der Berechnung besprochen und offene Fragen geklärt werden. Gruppenlesen: Die vier Schüler einer Gruppe sitzen so, dass sie sich ansehen können. Die Schüler erhalten oder geben sich die Nummern 1 bis 4. Nach einem ersten leisen Lesen ist die folgende Reihenfolge einzuhalten: • Schüler Nummer 1 liest den Abschnitt für die Gruppe vor. • Schüler Nummer 2 stellt zwei Fragen an den Text. • Schüler Nummer 3 beantwortet die Fragen. • Schüler Nummer 4 fasst den Abschnitt zusammen. Für Abschnitt zwei gilt: • Schüler Nummer 2 liest vor, Schüler Nummer 3 fragt, Schüler Nummer 4 antwortet, Schüler Nummer 1 fasst zusammen usw. 10 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 05.M1 Wärme und Energie 05 Abhängigkeit und Berechnung der Wärmemenge im Gruppenlesen erarbeiten Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien Abhängigkeit und Berechnung der Wärmemenge Stelle dir vor: Du sitzt in einer Badewanne im angenehmen warmen Wasser und trinkst eine schöne heiße Tasse Tee. In beiden Fällen musste dem Wasser Wärme zugeführt werden, denn von allein wird Wasser nicht warm oder heiß. Eine angenhme Wassertemperatur für die Badewanne beträgt 38 °C. Tee dagegen muss mit nicht mehr siedendem Wasser aufgegossen werden. Die Temperatur sollte mindestens 70 °C betragen. Bei welchem Vorgang musste nun mehr Energie aufgewendet werden? Es leuchtet ein, dass sich die Temperatur eines Stoffes erhöht, wenn ihm Wärme zugeführt wird. Erwärme ich eine Tasse Leitungswasser und eine Badewanne voll Leitungswasser mit eim, werwer nem baugleichen Tauchsieder über den gleichen Zeitraum, ärmer de ich feststellen, dass das Leitungswasser im Teeglas wärmer sser geworden ist als das in der Badewanne. Um das Badewasser wasser, braub uauf die gleiche Temperatur zu bringen wie das Teewasser, u che ich also mehr Energie. Die Energie, die man braucht, um ngig, wie viel von dem einen Stoff zu erwärmen, ist davon abhängig, Stoff erwärmt werden soll: ΔE ~ m. roße Teegläser, die d mit gleich gle viel Nehmen wir nun zwei gleich große as Wasser soll auf 50 °C, d Wasser gefüllt sind. Ein Glas das andere werden Welchem Glas muss m auf 80 °C erwärmt werden. wohl mehr hrt werden? Ganz anz klar, dem mit der höheren Energie zu geführt ndtemperatu Die Energie, di n braucht, um einen Stoff zu Endtemperatur. die man erwärmen, ist d avon abhängi davon abhängig, um wie viel Kelvin der Stoff erwärmt werden soll: s l: ΔE ~ ΔT Δ ΔT. Außerdem ist es e nicht egal, welcher Stoff erwärmt ärmt wird. Die Di offeigenscha die angibt, wie viel Wärme nötig ig ist, um 1 kg Stoffeigenschaft, es Stoffe en man spezifi ezifische fische Wäreines Stoffes um 1 K zu erwärmen, nennt off ande ezifis fische Wärmekapazität. Sie ist für jeden Stoff anders. Die spezifi m Diag mekapazität einiger Stoffe ist im Diagramm rechtss abg abgebildet. W Man kann erkennen, dasss 1 l (= 1 kg) Wasser ziemlich viel Wärden muss, dami me zugeführt werden damit es sich um 1 K erwärmt. Der rt beträgt beträgt 4186 J (Joule). genaue Wert Um also die Energ Energie bzw. die Wär Wärmemenge zu berechnen, die e best benötigt wird, um ein eine bestimmte Menge eines Stoffes um mmte Temp eine bestimmte Temperatur zu erhöhen, gilt die Formel: T ΔE = c · m · ΔT. Will man wissen, wie viel Energie benötigt wird, um 1,5 kg Pflanzenöl um 120 K zuerwärmen, so setzt man in die Formel für m = 1,5 kg und für ΔT = 120 K ein, liest aus dem Diagramm rechts die spezifische Wärmekapazität für Pflanzenöl ab (c = 1970 J/(kg · K)) und multipliziert die Zahlen miteinander. 443,9 kJ 50 °C 80 °C Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber 140 0 Hier noch ein Hinweis: Kennt man die zugeführte Wärme, kann man ebenso durch das Umstellen der Gleichung die erwärmte Menge, den spezifischen Stoff oder die Temperaturänderung berechnen. 81,6 kJ 1000 'E = 1970 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K J 1,5 kg 120 K kg K 'E = 1970 1,5 120 J kg K kg K 'E = 354 600 J = 354,6 kJ 11 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 05.M2 Wärme und Energie Aufgaben zur Berechnung der Wärmemenge A Wie viel Energie ist nötig, um 2 kg Wasser um 50 K zu erwärmen? Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber 140 0 * B 1000 2000 3000 4000 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1 1970 Luft 1009 10 Beton on 920 Fenst glas Fensterglas 60 860 Quecksilber Quecksilbe 140 0 1000 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K 3 l Wa Wasser kühlen um 60 K ab. Wie viel Energie nergie wird dabei dabe ffrei? Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien J kg ⋅ K Wie viel Energie wird benötigt, um 400 g Pflanzenöl enö von 20 °C auf 50 °C zu erwärmen? Wasser * C 5000 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber 140 0 1000 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K * 12 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 05.M2 Wärme und Energie D Berechne, wie viel Energie die Sonne aufbringt, um 20 kg Holz von 3 °C auf 30 °C zu erwärmen. Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber 140 0 ** E 1000 2000 3000 30 4000 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft 100 1009 Beton ton 920 Fenste glas Fensterglas 60 860 Quecksilber uecksilbe 140 0 1000 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K Bere Berechne die Energie, die nötig g ist, um 4 kg Wasser mit e eiSie ingen ner Temperatur von 18 °C zum Sieden zu bringen. Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien J kg ⋅ K Welcher Stoff benötigt mehr Energie, um 3 kg um m 50 K zu erwärmen – Beton oder Pflanzenöl? Wass Wasser * F 5000 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber 140 0 1000 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K ** 13 Klippert Zeitgemäß unterrichten LS 05.M2 G Wärme und Energie Quecksilber wird von −20 °C auf 50 °C mit einer Wärme von 15 kJ erwärmt. Wie groß ist die Masse des Quecksilbers, die erwärmt wurde? Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber 140 0 *** H 1000 2000 3000 3 4000 4186 Holz 2390 23 Pflanzenöl 70 1970 Luft 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber ber 140 0 1000 1 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K 20 kg g eines eine Stoffes wurden mit einer Energie nergie von 12044 kJ en Stoff handelt hande es (1 kJ = 100 1000 J) um 70 K erwärmt. Um welchen sich? Wasser 4186 Holz 2390 Pflanzenöl 1970 Luft 1009 Beton 920 Fensterglas 860 Quecksilber Heike Hofmann: Wärme und Temperatur/Wärme und Energie © Klippert Medien J kg ⋅ K Zehn Litern (= 10 kg) Wasser von 15 °C wurde eine Wärmemenge von 2930 kJ (1 kJ = 1000 J) zugeführt. Welche Temperatur hat das Wasser nach der Erwärmung? er Wasser *** I 5000 140 0 1000 2000 3000 4000 5000 J kg ⋅ K *** Lösungen zu „Aufgaben zur Berechnung der Wärmemenge“ ΔE = 4 186 J/(kg · K) · 2 kg · 50 K = 418 600 J = 418,6 kJ ΔE = 1 970 J/(kg · K) · 0,4 kg · 30 K = 23 640 J = 23,64 kJ ΔE = 4 186 J/(kg · K) · 3 kg · 60 K = 753 480 J = 753,48 kJ ΔE = 2 390 J/(kg · K) · 20 kg · 27 K = 1 290 600 J = 1 290,6 kJ ΔE (Beton) = 920 J/(kg · K) · 3 kg · 50 K = 138 000 J, ΔE (Pflanzenöl) = 1 970 J/(kg · K) · 3 kg · 50 K = 295 500 J → Pflanzenöl F: ΔE = 4 186 J/(kg · K) · 4 kg · 82 K = 1 373 008 J ≈ 1 373 kJ G: m = ΔE : (c·ΔT) = 15 000 J : (140 J/(kg · K) · 70 K) = 1,53 kg H: ΔT = ΔE : (m · c) = 2 930 000 J : (10 kg · 4 186 J/(kg · K)) = 70 K → 85 °C I: c = ΔE : (m·ΔT) = 1 204 000 J : (20 kg · 70 K) = 860 J/(kg · K) → Fensterglas A: B: C: D: E: 14 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 © 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. 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