Wärme - Technikbox
Werbung
Wärme Fachlicher Hintergrund Aspekte des fachlichen Hintergrunds dieser Versuchsreihe Wenn wir an WÄRME denken, löst das in uns unterschiedliche Vorstellungen und Empfindungen aus. Es fallen uns Begriffe ein wie Sonne, Heizung, Feuer, Hitze, Kälte, Fieber, Thermometer, … aber ebenso Redewendungen wie „eine hitzige Debatte“, … “mir wird warm ums Herz“, … „ein eiskalter Typ“, … und vieles mehr. Der Zugang zum Thema WÄRME ist subjektiv sehr vielfältig. Dies zeigt, dass wir es hier mit verschiedenen Bedeutungsebenen zu tun haben. Beschäftigen wollen wir uns hier aber besonders mit dem objektiven, physikalischen Aspekt dieses Lernfeldes. Warum muss man zwischen „objektiven“ und „subjektiven“ Aspekten von WÄRME unterscheiden? Zunächst müssen wir uns die subjektive Wärmeempfindung vergegenwärtigen. Unser Körper, genauer die Warm- und Kaltpunkte in unserer Haut, signalisieren uns, ob etwas heiß oder kalt ist und daher auch Verletzungen bewirken kann. Das Gefahrensignal ist dabei ein Schmerzgefühl beim Berühren zu kalter oder heißer Gegenstände. Auch vor zu schnellem Temperaturwechsel warnt uns unser Wärmeempfinden, auch dies kann sich nämlich nachteilig für unseren Körper auswirken. So empfinden wir einen Keller im Sommer als kühl, im Winter als eher warm, obwohl seine Temperatur im Sommer wärmer ist als im Winter. Es ist daher eigentlich eine falsche Aussage zu behaupten, wir brauchen ein Thermometer, weil sich unser Körper beim Empfinden von Wärme irrt. Er irrt nicht! Dieses Warnsystem unseres Körpers hat nur eine andere Aufgabe als ein Thermometer! Was ist nun Wärme eigentlich? Physikalisch gesehen ist Wärme eine Form von Energie - genauer gesagt die Bewegungsenergie atomarer Teilchen. Man versteht unter TEMPERATUR eines Körpers den Bewegungszustand seiner Moleküle und Atome. Ein warmer Körper hat mehr Energie als ein kalter. Bringt man einen warmen und einen kalten Körper zusammen, so fließt immer Energie vom warmen zum kalten - der warme Körper wird kälter und der kalte wärmer, niemals umgekehrt! Wie kann man sich diesen Bewegungszustand der Atome und Moleküle vorstellen? Durch Wärmezufuhr bewegen sich die Teilchen eines Körpers - also Atome oder Moleküle - schneller. Je stärker die Bewegung der Teilchen ist, desto höher ist die Temperatur des Stoffes. Durch Wärmeentzug verringert sich der Bewegungszustand der Teilchen. Je geringer die Bewegung der Teilchen ist, desto niedriger ist die Temperatur. 46 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at Wärme Fachlicher Hintergrund Warm Kalt Absoluter Nullpunkt Heftige Bewegung der Teilchen – je mehr, desto mehr Energie Bewegung wird geringer – Teilchen brauchen weniger Raum, weil sich die Molekularabstände verringern Bewegung der Teilchen hört vollkommen auf - keine Energie mehr Ist der „Siedepunkt“ erreicht, reißen sich die Teilchen los und der Stoff geht in den gasförmigen Zustand über. Wenn der „Erstarrungspunkt“ erreicht ist, geht der Stoff in den festen Zustand über. Bei Wasser kann man von „Eispunkt“ sprechen, er liegt bei 0° C. Die Temperatur beträgt -273°C, oder 0 K = Kelvin. Es gibt zwar eine tiefste Temperatur, den absoluten Nullpunkt, aber es gibt keine höchste Temperatur! Gibt es die Wärmebewegung der Teilchen auch bei festen Körpern? Durch die Kohäsionskräfte in den Festkörpern sind die Atome so stark aneinander gebunden, dass sie ihren Platz nicht verlassen können. Sie „zittern“ um ihren Platz herum (in der Skizze angedeutet durch Zickzacklinien). In flüssigen Körpern sind die Kohäsionskräfte geringer, hier können Teilchen auch ihren Platz verlassen – Flüssigkeiten sind daher „beweglich“. In gasförmigen Körpern sind fast keine Kohäsionskräfte zwischen den Teilchen vorhanden. Sie bewegen sich solange geradlinig, bis sie an andere Teilchen anstoßen, werden dort abgelenkt, fliegen weiter bis zum nächsten Zusammenprall. Das ergibt unregelmäßige Bewegungen, die umso heftiger sind, je höher die Temperatur ist. (siehe: LUFT) Warum brauchen erwärmte Körper mehr Raum? Beim Erwärmen dehnen sich Körper aus. Weil die Teilchen bei steigender Wärme sich immer mehr bewegen, benötigen sie auch immer mehr Platz, immer mehr Raum. Deshalb dehnen sich alle Stoffe aus, wenn sie sich erwärmen. Festkörper zeigen bei Erwärmung die geringste Ausdehnung, da die Kohäsionskräfte stärker sind. Gasförmige Körper zeigen die größte Ausdehnung, da die Kohäsionskräfte am geringsten sind! Wenn sich die Teilchen aber immer weiter voneinander entfernen, dann haben auch in einem bestimmten Volumen immer weniger Teilchen eines Stoffes Platz, seine Dichte sinkt - er wird spezifisch leichter! Als Folge der Erwärmung sinkt die Dichte der Körper, ihre Masse nimmt aber natürlich trotz Erwärmung nicht zu! Die Anzahl der Moleküle bleibt gleich. Bei Abkühlung benötigen die Körper weniger Raum, sie verdichten sich, dadurch werden sie spezifisch schwerer! 47 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at Wärme Fachlicher Hintergrund Warm Abkühlung Kalt Je wärmer – desto mehr Raum – umso leichter Verdichten bei Abkühlung Je kälter umso geringer die Ausdehnung - umso schwerer Das VOLUMEN ändert sich – die MASSE bleibt gleich! Vergleicht man einen Liter (1 dm3) Wasser mit 4° C mit einem Liter Wasser mit 80° C, so ist tatsächlich der zweite leichter. Erwärmtes Wasser steigt daher in kälterem Wasser auf. Erwärmt man Luft, so dehnt sie sich aus, ihre Dichte nimmt ab, sie wird leichter als die umgebende Luft und steigt somit auf. Eine Ausnahme müssen wir noch beachten: Bei Wasser sind die Teilchen bei 4° C am dichtesten gepackt, unterhalb und oberhalb dieser Temperatur sind sie weiter voneinander entfernt. Aus diesem Grund schwimmt auch Eis auf Wasser. (siehe: WASSER) Experimente: Mit den Phänomenen der Ausdehnung von Körpern durch Erwärmung befassen sich die Versuche: „Drehwurm“ – „Flaschengeist“ – „Wie funktioniert das Thermometer“ – „Wie funktioniert ein Luftthermometer“. Wie funktioniert unser Thermometer? Die Thermometer in der TechnikBox sind Flüssigkeitsthermometer. Das Wort THERMOMETER bedeutet „Wärmemesser“ (von griech. thermos = Wärme). Bei Flüssigkeitsthermometern wird die Ausdehnung von Flüssigkeiten bei Erwärmung zur Temperaturbestimmung genutzt. Eine Flüssigkeitssäule zeigt durch Ausdehnung (Erwärmung) und Verdichtung (Abkühlung) die jeweilige Temperatur an. Ein Thermometer muss natürlich auf einen geeigneten Fixpunkt, von dem aus die Temperatur überall gleich bestimmt werden kann, kalibriert sein. Dieses Problem haben die Erfinder des Thermometers verschieden gelöst. Wer hat das Thermometer erfunden? Die Entwicklung des Flüssigkeitsthermometers begann im 17. Jahrhundert. Galileo Galilei, Robert Boyle, Fahrenheit, Anders Celsius und Reaumur waren daran maßgeblich beteiligt. Kalibrieren oder eichen? Der Ausdruck „kalibrieren“ wird verwendet, wenn jemand z.B. ein Thermometer auf einen Fixpunkt einstellt. Von einem so genannten Eichamt werden Messgeräte überprüft, ob sie den festgelegten Normen entsprechen. Diesen Vorgang bezeichnet man als eichen. 48 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at Wärme Fachlicher Hintergrund Vergleich der verschiedenen Ansätze ein Thermometer zu kalibrieren Fixpunkte dabei sind der Siedepunkt und der Gefrierpunkt des Wassers, die Körpertemperatur, … Grad Reaumur (° R) Grad Celsius (° C) Grad Fahrenheit (° F) René-Antoine Reaumur † 1757 in Bermondière französicher Technologe Anders Celsius † 1744 in Uppsala / Schweden Daniel Gabriel Fahrenheit † 1736 in Den Haag (in englischsprachigen Ländern üblich) °R Siedepunkt Wasser 80 °R °C 90 80 Siedepunkt Wasser 100 °C 29,6 °R 60 Körpertemperatur 37 °C 20 Gefrierpunkt Wasser 0 °R 10 0 Auch Reaumur wählte den Gefrier- und den Siedepunkt des Wassers zum Kalibrieren seiner Skala. Allerdings unterteilte er die Ausdehnungsstrecke der Thermometerflüssigkeit zwischen Gefrierpunkt und Siedepunkt des Wassers in 80 Teile. Der Gefrierpunkt nach Reaumur ist also wie bei Celsius mit 0° festgesetzt. 0° R = Wasser gefriert (erstarrt) 80° R = Wasser kocht (siedet) 212 °F 70 50 30 100 Siedepunkt Wasser 80 60 40 110 90 70 Körpertemperatur °F 50 40 30 Körpertemperatur 100 °F 20 Gefrierpunkt Wasser 0 °C 10 0 Celsius verwendete den Gefrierpunkt und den Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte für seine Skala und hat ihnen die Zahlen von 0 bis 100 zugeordnet. Er hat allerdings ursprünglich den Gefrierpunkt mit 100 und den Siedepunkt mit 0 bezeichnet. Erst später (1750) wurde die Richtung dieser nach Celsius benannten Skala vom schwedischen Physiker Strömer umgekehrt. Seitdem ist der Gefrierpunkt mit 0°C und der Siedepunkt mit 100°C festgelegt. Unterhalb des Gefrierpunktes gibt es die Minusgrade. Gefrierpunkt Wasser 32 °F 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 Fahrenheit verwendete in einer geschlossenen Glasröhre Quecksilber als Flüssigkeit. Der untere Bezugspunkt in seiner Skala war die kälteste Temperatur, die er herstellen konnte. Es war eine Mischung aus Eis, Wasser und Salmiak. Das war der Nullpunkt oder 0 Grad Fahrenheit (0° F). Die Körpertemperatur des Menschen gab er mit 100° an. Daher liegt der Gefrierpunkt des Wassers auf der Fahrenheitskala bei + 32° F, der Siedepunkt bei +212° F! Der Nullpunkt in der Fahrenheitskala liegt bei ungefähr minus 17° C! 49 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at Wärme Fachlicher Hintergrund Einige interessante Temperaturangaben (in ° C) Temperatur Temperatur 6000° C Oberfläche der Sonne 70° C Höchste gemessene Lufttemperatur auf der Erde 3380° C Wolfram schmilzt - Glühdraht 42° C Lebensbedrohende Körpertemperatur 2500° C Glühdraht schmilzt bei Lampen 36° - 37° C Gesunde Körpertemeperatur 1535° C Eisen schmilzt 0° C Wasser gefriert, Eis schmilzt 950° C Flamme des Gasherdes -82° C Niedrigste gemessene Lufttemperatur auf der Erde 800° C Streichholzflamme -180° C Luft wird flüssig 327° C Blei schmilzt -253° C Wasserstoff wird flüssig 100° C Wasser siedet -273° C Tiefste mögliche Temperatur = absoluter Nullpunkt Wie wird in der Wissenschaft die Temperatur gemessen? Um die Minusgrade zu vermeiden, wird heute von WissenschaftlerInnen die Kelvinskala verwendet, benannt zu Ehren des britischen Physikers Lord Kelvin (1824 - 1907). Die Gradabstände entsprechen genau denen der Celsiusskala. Man beginnt jedoch nicht mit dem Gefrierpunkt des Wassers zu zählen, sondern mit dem absoluten Nullpunkt, jener Temperatur bei der alle Teilchen eines Körpers still stehen! Das geschieht nach der Celsius Skala bei -273,15°C! Das ist der Punkt Null nach Kelvin oder 0 K! Das Symbol für Grad (°) wird nicht geschrieben! Nach oben ist die Skala offen, es gibt keine absolute Höchsttemperatur. Woraus besteht ein Flüssigkeitsthermometer? Ein gewöhnliches Flüssigkeitsthermometer, zum Beispiel ein Zimmerthermometer, besteht in der Regel aus einem Grundbrett, einem mit Flüssigkeit gefülltem Glasröhrchen, das unten erweitert und oben geschlossen ist, sowie einer Skala – einer Gradeinteilung (GRAD von lat. gradus = Schritt, Stufe). Im Glasröhrchen darf sich keine Luft befinden, da sich sonst die Flüssigkeit nicht ausdehnen könnte. Die Flüssigkeit im Glasröhrchen ist häufig Quecksilber. Es ist nur geeignet für Temperaturen zwischen -39°C und +280°C, denn der Erstarrungspunkt des Quecksilbers liegt bei -39°C, sein Siedepunkt bei 357°C. Trotzdem ist es für diese höheren Temperaturen nicht geeignet, denn über +280°C dehnt es sich nicht mehr regelmäßig aus! Quecksilber ist wegen seiner Giftigkeit für Experimente in der Klasse nicht verwendbar! Oft wird Alkohol verwendet, er ist aber nur geeignet für Temperaturen von -100°C bis +50°C, denn Alkohol erstarrt bei -114°C und siedet bereits bei +78°C. Bei über 50°C dehnt er sich unregelmäßig aus! Daher werden oft Alkoholmischungen verwendet, die für einen größeren Temperaturbereich eingesetzt werden können. 50 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at Wärme Fachlicher Hintergrund Welche Thermometer gibt es noch? Neben Flüssigkeitsthermometern gibt es noch Bimetallthermometer. Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei miteinander verschweißten Metallen, die sich bei Erwärmung verschieden ausdehnen. Bei Erwärmung krümmt sich dadurch der Streifen und der Zeiger „wandert“ auf der Skala. Thermocolore zeigen durch Änderung der Farbe bei Erwärmung die Temperatur an. Sie sind in der Technik dort wichtig, wo man wegen der Hitze Gegenstände nicht angreifen kann. Man findet sie im Alltag manchmal auf Bier– oder Weinflaschen. Als „Fieberthermometer“ dienen Streifen, die beim Auflegen mittels Farbe Fieber anzeigen können. Widerstandsthermometer zeigen durch die Änderung des elektrischen Widerstandes in Stoffen bei Erwärmung die Temperatur an. Man kann sie meist digital ablesen. Da vom Haushalt über die Forschung bis zu Industrie und Technik Thermometer in vielerlei Funktionen verwendet werden, ist ihre technische Konstruktion vielfältig und oft sehr speziell. Wie wird Wärme übertragen? Physikalisch gesehen ist Wärme kein Zustand, sondern ein Vorgang bzw. Prozess, der an Transportvorgänge gebunden ist. Dabei unterscheidet man drei Arten von Energieübertragung: 1. Wärmeleitung findet innerhalb von festen Körpern statt. 2. Wärmeströmung - Konvektion - findet in flüssigen und gasförmigen Stoffen statt. 3. Wärmestrahlung tritt zwischen Oberflächen und auch im Vakuum auf. 1. Die Wärmeleitung Wenn man z.B. das Ende eines Metallstabes in einer Flamme erhitzt, beginnen die sich dort befindenden atomaren Teilchen stärker zu schwingen. Dabei stoßen sie auch immer wieder mit ihren Nachbarn zusammen, die so ebenfalls zum Schwingen gebracht werden. Die „Zitterbewegung“ – und damit die Wärme – setzt sich im Metallstab fort, ohne dass die atomaren Teilchen ihre angestammten Plätze verlassen. Wärmeleitung tritt deshalb vor allem in Feststoffen und Flüssigkeiten auf, aber so gut wie nie in Gasen, da sich hier Teilchen nicht berühren. 2. Die Wärmeströmung ( Konvektion) Die Atome oder die Moleküle gasförmiger und flüssiger Stoffe bewegen sich und übertragen dabei Energie. In Flüssigkeiten und Gasen können die „warmen“ Teilchen ihren Platz verlassen und zu einem anderen Ort wandern (meistens steigen sie auf). Auch so kann Wärme von einem Ort zum anderen transportiert werden. In festen Stoffen gibt es keine Wärmeströmung, weil deren Teilchen einen festen Platz haben. Experimente: Der Versuch „Wasservulkan“ und der Versuch „Drehwurm“ sind Beispiele für Wärmeströmung. 51 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at Wärme Fachlicher Hintergrund Auch die Warmwasserheizung ist ein Beispiel für Wärmeausbreitung durch Wärmeströmung. Die unterschiedliche Erwärmung des Erdbodens durch die Sonnenbestrahlung und die dadurch entstehenden Wärmebewegungen der Luft sind die Ursachen von Winden. 3. Die Wärmestrahlung Wärmestrahlung ist nicht an Atome oder Moleküle als Träger gebunden und erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen. Sie funktioniert auch im Vakuum. Daher erreicht uns auch die Wärme der Sonne, obwohl es im Weltall keine Teilchen gibt, die diese transportieren könnten. Die Wärmestrahlung ist mit dem Licht eng verwandt, tritt oft mit dem Licht gemeinsam auf und verhält sich auch so wie dieses. Steht man sehr nahe an einem Lagerfeuer, spürt man die Hitze im Gesicht. Hält man sich aber eine Hand vor, kann die Wärmestrahlung nicht mehr auf das Gesicht treffen und es wird augenblicklich kühler. Wärmestrahlung wird von hellen oder glänzenden Flächen reflektiert (zurückgeworfen), von dunklen aber absorbiert (geschluckt). Deswegen wird uns bei strahlendem Sonnenschein in dunklen Kleidern viel schneller heiß als in hellen. Kühlwagen und Kühlschränke haben meistens weiße, glatte Oberflächen, damit sie keine Wärmestrahlen aufnehmen und sich nicht erwärmen. Manche Tiere (Rehe, Hirsche, …) haben ein helleres Sommer- und ein dunkleres Winterfell. Diese Fellfarben ermöglichen ihnen allerdings auch eine bessere Tarnung in der jeweiligen Jahreszeit. Interessant ist, dass Schneehasen und das Alpenschneehuhn zur besseren Tarnung im Winter ein weißes Fell bzw. in weißes Gefieder tragen. Unter dem Fell und Gefieder haben sie aber eine dunkle Haut, die die Wärme besser absorbiert! Experimente: Der Versuch „Schwarz schluckt Wärme“ beruht auf dem Phänomen der Wärmestrahlung! 52 © 2008 education highway - www.technikdetektive.at
