Kalorimetrie

Physikalisches Schulversuchspraktikum
Katharina Wieser - 9855124
WS 00/01
Wärmelehre
Schülerversuche und Arbeitsblätter
für ein physikalisches Labor
Lehrplan: vor allem 3. und 6. Klasse (7. und 10. Schulstufe)
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Physikal. Schulversuchspraktikum WS 00/01
Katharina Wieser, 9855124
Inhaltsverzeichnis
I. Einleitung...............................................................................3
Didaktische Hinweise ................................................................................3
II. Spezifische Wärme – Kalorimetrie .............................................4
Grundlagen..............................................................................................4
Arbeitsblatt „Spezifische Wärme und Kalorimetrie“ .......................................6
III. Wärmeleitung .......................................................................7
Grundlagen..............................................................................................7
Arbeitsblatt „Wärmeleitung“.......................................................................8
IV. Wärmedämmung ...................................................................9
Grundlagen..............................................................................................9
Arbeitsblatt „Wärmedämmung“ ................................................................10
V. Wärmestrahlung ................................................................... 11
Grundlagen............................................................................................11
Arbeitsblatt „Wärmestrahlung“ .................................................................12
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Physikal. Schulversuchspraktikum WS 00/01
Katharina Wieser, 9855124
I. Einleitung
Ich verzichte auf die allgemeinen Grundlagen der Wärmelehre
und gehe nur auf die spezifischen theoretischen Teile – passend zu den
Versuchen – ein.
Didaktische Hinweise
Die in diesem Protokoll behandelten Versuche zur Wärmelehre
können eigentlich nur in einem physikalischen Praktikum – z.B. in
einer Laborklasse oder ähnlichem – verwendet werden, da ansonsten
die Zeit oder die notwendige Menge an Materialien nicht vorhanden ist.
Im Labor hat man ja die Möglichkeit, die Schüler das ganze
Kapitel stationsweise bearbeiten zu lassen, d.h. jede Arbeitsgruppe
beschäftigt sich mit einem anderen Versuch, und im Lauf der
Einheit(en) kommt jeder Gruppe einmal zu jedem Versuch.
Verwendbar sind alle Versuche sowohl in Ober- als auch
Unterstufe. Natürlich ist die Gestaltung der dazugehörigen Grundlagen
immer schulstufenspezifisch anzupassen. Vorausgesetzt wird überall
Basiswissen in der Wärmelehre (Grundbegriffe,...).
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II. Spezifische Wärme –
Kalorimetrie
Grundlagen
„ Wie schnell erwärmen sich Körper? Geben gleiche Massen bei
gleicher Abkühlung die gleiche Wärmemenge ab?“
Ziel:
Die Schüler sollen den Begriff spezifische Wärme mit dem Begriff der
Energie in Verbindung setzen können und das Prinzip der Kalorimetrie
verstehen.
Die Schüler sollen das Prinzip der Kalorimetrie in der Praxis verwenden
und verstehen können.
Führt man einem Körper Wärme zu, so erhöht sich seine
Temperatur. Wie schnell dieser Prozess vor sich geht, hängt von dem
Material des Körpers ab. Bringt man nämlich einen Tauchsieder in ein
Gefäß mit 1 kg Wasser, so dauert die Erwärmung um 1 oC wesentlich
länger, als wenn das Gefäß ½ kg Eisen und ½ kg Wasser enthält.
Die spezifische Wärme eines Stoffes ist jene Energie, die notwendig
ist, um 1 kg dieses Stoffes um 1 oC zu erwärmen.
Die spezifische Wärme von Wasser ist 4.187 J (= 1 Kalorie). Sie ist
im Vergleich zu anderen Stoffen besonders groß. Wasser dient daher
sehr oft entweder als Wärmespeicher oder als Kühlungsmittel.
Das ist die Grundlage der Kalorimetrie: Will man die
Wärmekapazität eines Körpers ermitteln, dann erwärmt man ihn auf
irgendeine gut zu messende Temperatur und gibt ihn dann in ein
Wasserbad, dessen Füllmenge und Temperatur genau bekannt ist.
Dann wartet man das thermische Gleichgewicht ab und misst die
Temperatur des Wasserbades mit dem Körper. Ist das Gefäß, das so
genannte Kalorimeter gut isoliert, dann entspricht die Wärmemenge,
die der Körper abgab, derjenigen, die das Kalorimeter (Wasser und
Behälter) aufgenommen hat.
Nachdem die Wärmemenge, die der Körper abgegeben hat, gleich
der sein muss, die das Kalorimeter aufnahm, gilt:
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Qabgegeben = Qabgegeben
mKörpercKörper (TKörper − TEnd ) = mH 2O cH 2O (TKalorimeter − TEnd )
Q...Wärmemenge
c...Spezifische Wärme
m...Masse
T...Temperatur
Mit
diesem
Versuch
kann
man
die
spezifische
Wärme
unterschiedlicher Stoffe bestimmen. Um ein Gefühl für die Größe der
spezifischen Wärme zu bekommen, sollte man die einzelnen c in
Beziehung zu cWasser setzen.
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Versuchsauswertung
Anschließend werten wir den Versuch mithilfe der Formel
Arbeitsblatt
„Spezifische Wärme und Kalorimetrie“
mKörper cKörper (TKörper − TEnd ) = mH 2O cH 2O (TKalorimeter − TEnd )
aus – wir berechnen die spezifische Wärme c der
einzelnen Materialien.
Versuchsaufbau
Mittels
einer
Stativstange wird 1
Wärmeschutznetz über
einem
Brenner
montiert.
Darauf
befindet
sich
ein
Becherglas
mit
Wasser.
In
dieses
Becherglas
werden
Quader
verschiedenster Materialien gehängt. Die
Schnurenden
sollen
über den Becherrand
ragen.
Dazu müssen wir die Formel umformen:
cKörper =
Dann setzen wir die uns bekannten Größen ein:
mH2O = 0,1 kg
TKalorimeter =....................................... oC
cH2O = 4.187 J / kg oC
TKörper =....................................... oC
Material
Außerdem
benötigt
man ein Kalorimeter
mit genau 100 ml
kaltes Wasser, in dem
ein Thermometer steckt.
Versuchsdurchführung
Wir bringen das Wasser in dem Becherglas zum Kochen
und messen die Temperatur. Dann lesen wir die
Temperatur des Kalorimeters ab. Jetzt geben wir den
ersten Quader aus dem Becherglas in das Kalorimeter.
Nach 1 Minute entfernen wir den Quader, mischen das
Wasser des Kalorimeters durch und stellen die
Temperaturerhöhung fest. Dasselbe machen wir mit den
anderen Quadern auch noch.
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mKörper
TEnd
cKörper
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III. Wärmeleitung
Grundlagen
„Wie wird Wärme weitergeleitet?“
Ziel:
Die Schüler sollen das System der Wärmeleitung verstehen und auch
den Unterscheid zwischen Leitern und Isolatoren.
Wärmeenergie kann sich durch Wärmeleitung ausbreiten. Der
Energietransport erfolgt durch Wechselwirkung zwischen den
Molekülen oder Atomen, die aber nicht selbst transportiert werden.
An der Erwärmungsstelle beginnen die Teilchen stärker zu
schwingen. Dadurch regen sie die Nachbarteilchen zu Schwingungen
an. Schließlich schwingen alle Teilchen schneller – die Temperatur
steigt.
Alle Metalle leiten die Wärme gut. Am besten Silber, Kupfer,
Gold, Aluminium,.. .
Metalle sind gute Leiter, weil die freien Elektronen in ihnen
während ihrer Bewegung ständig mit den Atomen zusammenstoßen,
deren thermische Energie aufnehmen, dadurch ihre eigene kinetische
Energie erhöhen und sie dann durch Stöße mit anderen Atomen
wieder abgeben.
Nichtmetalle wie Wasser, Holz, Textilien, Kunststoffe, Steine
und alle Gase leiten die Wärme schlecht. Man bezeichnet sie als
Wärmeisolatoren.
In Gasen wird die Wärme durch die Stöße der Gasmoleküle
übertragen. Die Moleküle im wärmeren Teil des Gasvolumens haben
eine höhere mittlere kinetische Energie als die im kälteren Teil und
geben ihre Energie bei den Stößen teilweise an die langsameren
Moleküle ab.
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Arbeitsblatt „Wärmeleitung“
Benötigte Materialien
1 Reagenzglas, 1 Reagenzglashalter
1 Kerze oder 1 Bunsenbrenner
Eiswürfel oder Schnee, Wasser, Schraubenmutter oder Kugel
Versuchsdurchführung
Einige Eisstücke oder Schnee werden
in das Reagenzglas gefüllt und mit der
Schraubenmutter oder etwas ähnlichem
beschwert. Das Reagenzglas wird mit
kaltem Wasser aufgefüllt.
Nun fasst man das Glas mit dem Halter und erhitzt das
Wasser mit der Kerzenflamme oder dem Bunsenbrenner. Dabei
muss man aufpassen, das Wasser beginnt schnell zu kochen
und kann herausgeschleudert werden.
Unsere Beobachtungen mit der Beschwerung
......................................................................................
......................................................................................
......................................................................................
Daraus folgern wir, dass
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Führt den Versuch jetzt noch einmal ohne der Beschwerung
durch. Was ist jetzt anders ? Überlegt warum!
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IV. Wärmedämmung
Grundlagen
„ Wozu brauchen wir ein Dämmmaterial?“
Ziel:
Die Schüler sollen die Wichtigkeit der Wärmedämmung und die damit
verbundene Möglichkeit des Energiesparens erkennen und verstehen.
In unseren Wohnungen wollen wir es im Winter warm, im
Sommer angenehm kühl haben, d.h. im Winter soll sich die
Heizwärme im Haus halten, im Sommer die Hitze draußen bleiben.
Dies erreicht man durch gute Wärmedämmung, das heißt durch
die Verwendung von Baumaterialien, die Wärme möglichst schlecht
weiterleiten, also Wärmeisolatoren.
Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen ist wesentlich geringer als die
von Flüssigkeiten oder Festkörpern. Daher ist Luft ein recht gutes
Isolationsmaterial.
Häufig
macht
man
davon
Gebrauch:
Doppelfenster, Lochziegel, Stroh, Schaumstoffe,... enthalten alle
luftgefüllte Zwischenräume. Auch Mensch und Tier nutzen die Luft:
Zwischen den Textilfasern der Kleidung, in den Fellen und im
Federkleid der Tiere ist Luft eingeschlossen und behindert die
Wärmeabgabe an die Umgebung.
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Versuchsauswertung
Arbeitsblatt „Wärmedämmung“
Benötigte Materialien
1 Gefäß, 1 zweites gleich großes Gefäß mit einem IsolierStyropor-Einsatz (ansonsten ein dickes Tuch oder ein Schal
zur Isolierung), Wasser, 1 Bunsenbrenner, 1 Stativ mit
einem Wärmeschutznetz, 2 Thermometer
Zeitpunkt
Tisoliert
Tnicht isoliert
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
C
C
C
Versuchsaufbau und -durchführung
C
Mittels
Stativ,
Wärmeschutznetz
und Bunsenbrenner
wird in einem Gefäß
Wasser zum Kochen
gebracht.
C
C
C
C
Anschließend
wird
das
Wasser
gleichmäßig auf die
beiden
Gefäße
verteilt.
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
In welchem Gefäß kühlt das Wasser schneller ab und
warum?
Eines der beiden
wird
in
die
Isolierung gesteckt
(bzw. isoliert). In
beide
Gefäße
kommt
ein
Thermometer.
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
Welchen Vorteil bringt uns also die Wärmedämmung?
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Wir beobachten nun die Abkühlung des Wassers in den
beiden Gefäßen und vergleichen diese miteinander.
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Physikal. Schulversuchspraktikum WS 00/01
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V. Wärmestrahlung
Grundlagen
„ Wie viel Energie schickt uns die Sonne?“
Ziel:
Die Schüler sollen die Energie der Sonnenstrahlen bemerken und ihre
Auswirkungen – wie Lagerung von Lebensmitteln, Farbe der Kleidung
im Hochsommer,... – verstehen.
Die Wärme der Sonne kommt von sehr weit zu uns. Im Vakuum
ist weder Wärmeleitung noch Wärmestrahlung möglich: Die
Sonnenenergie breitet sich durch Wärmestrahlung aus. Diese ist eine
Infrarotstrahlung und ist daher für das menschliche Auge nicht
sichtbar. Wie das Licht und die Röntgenstrahlung gehört sie zur
„Familie“ der elektromagnetischen Wellen, die sich geradlinig und mit
Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) ausbreiten.
Jeder Körper sendet nicht nur Strahlung aus, er nimmt auch
jederzeit Strahlung auf. Die Strahlung selbst ist weder kalt noch
warm; erst durch die Absorption (Aufnahme) der Strahlung erwärmt
sich ein Körper.
Schwarze, matte Körper nehmen mehr Strahlung als blanke,
glänzende auf, geben aber auch mehr Strahlung ab. Wärmestrahlen
können wie Lichtstrahlen umgelenkt, zurückgeworfen oder gebündelt
werden.
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Versuchsauswertung
Arbeitsblatt „Wärmestrahlung“
Benötigte Materialien
Zeitpunkt
2 Gefäße, Wasser, etwas
Tinte, etwas Milch, 2
Thermometer,
Sonne
bzw. Lampe
Thell
Tdunkel
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Versuchsaufbau und -durchführung
C
C
Wir füllen beide Gefäße
mit Wasser, färben eines
mit Milch hell, das andere
mit Tinte dunkel und
stecken in jedes Gefäß
ein Thermometer.
C
C
C
C
C
C
C
C
Dann setzen wir die
Gefäße
einer
Wärmestrahlung
aus
(Stellen
auf
das
Fensterbrett
in
die
Sonne) und lesen in
regelmäßigen Abständen
die Temperatur ab.
C
Welches Gefäß erwärmt sich schneller und warum?
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......................................................................................................................
......................................................................................................................
Welche Auswirkungen
Menschen?
hat
dieser
Effekt
auf
uns
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Man kann statt den Gefäßen mit Milch und Tinte auch
schwarze und weiße Blechdosen benutzen.
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