Ausgewählte Kapitel der Wärmelehre

Ausgewählte Kapitel der
Wärmelehre
Praktikum am 10.01.2001
Von: Ursula Feischl
Mtr.: 9855029
Inhanltsangabe:
Inhaltsangabe
1
Allgemeines zum Protokoll
1
Arten von Wärmetransport
Allgemeines
2,3,4
Versuch1: „Metall und Plastiklöffel“
5
Versuch2:“Metall und Plastikmünze“
6
Versuch3: „Kochendes Eis“
7
Versuch4: „Das Löffelwunder“
8
Versuch5: „Windrad“
9
Versuch6: „Rauchfang“
10
Versuch7: „Absorption von Wärmestrahlung“
11
Versuch8: „Der Glashauseffekt“
12
Arbeitsblatt 1: Aufbau einer Thermosflasche
13,15
Arbeitsblatt2: Wärmetransport
14,15,16
Änderung des Aggregatzustandes
Allgemeines
17,18
Versuch1: „Schmelztemperatur von Schnee“
19
Versuch2: Schmelztemperatur von Schnee/Salz
20
Versuch3: Schmelzwärme
21,22
Versuch4: Siedetemperatur
23,24
Versuch5: Destillation
23,25,26
Allgemeines zum Protokoll:
Die Wärmelehre ist ein umfangreiches Gebiet. Bei der Behandlung habe ich mich vorwiegend
auf zwei Themen beschränkt, Wärmetransport und Wechsel von Aggregatzuständen.
Die Bearbeitung ist für die 3.Klasse Unterstufe gedacht.
Lernziele waren, die möglichen Arten des Wärmetransport aufzuzeigen und die Vorgänge
beim Wechsel von fest auf flüssig und von flüssig auf gasförmig, anschaulich klarzumachen.
Arten von Wärmetransport:
In der folgenden Aufbereitung ist dieses Kapitel vor allem für die Unterstufe gedacht.
Ausgehen kann man von folgender Frage:
Welche Möglichkeiten gibt es Wärme von einem Ort zum anderen zu
transportieren?
Das wesentliche Ziel bei der Beantwortung dieser Frage ist, den Schülern klarzumachen, daß
Wärme auf unterschiedliche Arten von einem Ort zum anderen gelangen kann.
Auch der Unterschied zwischen den einzelnen Möglichkeiten sollte klar werden und ihre
Bedeutung in der Praxis erkannt und verstanden werden.
Ø Wärmeleitung:
Den Zugang zu diesem Thema kann man zum Beispiel durch VERSUCH 1: „Metall und
Plastiklöffel“ oder den analogen VERSUCH 2 „ Metall und Plastikmünze“ finden.
Als Ergebnis beider Versuche ergibt sich, daß Wärme über einen festen Leiter von einem
Punkt zum anderen gelangen kann. Wie schnell und wie stark sich die Wärme in ihnen
fortpflanzt hängt vom Material des Leiters ab.
Dieses Konzept läßt sich von festen auch auf flüssige und gasförmige Leiter erweitern.
Wärmeleitung kann man sich so vorstellen:
An der Erwärmungsstelle beginnen die Teilchen stärker zu schwingen. Dadurch regen
sie die Nachbarteilchen zu Schwingungen an. Die Temperatur im Nachbarbereich
steigt, die Teilchen dort regen wieder neue Teilchen an und so geht es weiter. Den
Wärmetransport erfolgt von Stoffteilchen zu Stoffteilchen, ohne daß diese ihre Plätze
verlassen.
Die Teilchen aus denen Materialien bestehen, lassen sich unterschiedlich schwer von
Nachbaratomen zur Schwingung anregen.
Man kann gute, schlechte und sehr schlechte Wärmeleiter unterscheiden:
Gute Wärmeleiter sind Metalle:
Silber, Gold, Kupfer, Aluminium
Schlechte Wärmeleiter sind:
Quecksilber, Graphit, Eis, Stahlbeton, Glas, Wasser
Sehr schlechte Wärmeleiter sind:
Luft, Gase, Holz, Kunststoff, Textilien, Stein
v Gut wärmeleitende Stoffe werden verwendet, wenn rasche Wärmeabgabe und
Wärmeausbreitung beabsichtigt ist. Heizkörper, Kochgeschirrböden, Kühler und
Kühlrippen werden deshalb aus sehr gut wärmeleitenden Metallen gefertigt
v Wärmeisolatoren oder Wärmedämmstoffe, also Stoffe mit schlechter Wärmeleitfähigkeit,
werden überall dort eingesetzt, wo ein Wärmeaustausch möglichst vermieden werden soll.
So werden sie zum Beispiel beim Hausbau als Isoliermaterial verwendet, hier soll die
Heizwärme im Winter im Haus bleiben und im Sommer die Hitze draußen bleiben.
Häufig macht man in diesen Materialien von der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Luft
Gebrauch: Doppel- und Dreifachfenster, Lochziegel, Sägespäne, Stroh, Schilfrohr, Wolle,
Glaswolle und Schaumstoffe enthalten luftgefüllte Zwischenräume.
Die Luft wärmt auch Menschen und Tiere. Zwischen den
Textilfasern der Kleidung, in den Fellen und im
Federkleid der Tiere ist sie eingeschlossen und behindert
die Wärmeabgabe an die Umgebung.
Weitere Versuche zur Wärmeleitung:
VERSUCH 3 „Kochendes Eis“
VERSUCH 4 „Das Löffelwunder“
Ø Konvektion:
Betrachtet man eine brennende Kerze, so befindet sich Luft über und neben dem brennenden
Docht. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit in allen Richtungen gleich gut ist spürt man über der
Flamme mehr Wärme als neben ihr. Aus welchem Grund ist das so?
Warme Luft dehnt sich aus. Bei gleichem Volumen ist sie leichter als kalte, sie steigt
also nach oben. Dabei nehmen die Luftteilchen die Wärme mit.
Warme Luft erfährt also in kälterer Umgebung einen Auftrieb. Kalte Luft strömt nach
und es kommt zu einem Wärmetransport, den man Wärmeströmung („Konvektion)
nennt. Genau das Gleiche geschieht auch in Flüssigkeiten.
Wärme wird mit den Luft oder Flüssigkeitsteilchen von einem Ort zum anderen
gebracht.
Durch die Wärmeströmung erwärmt sich die Luft in einem
geschlossenen Zimmer vom warmen Heizkörper aus,
steigen Heißluftballons, ziehen Schornsteine,
lassen sich Vögel und Segelflieger in den Himmel tragen.
Versuche zur Konvektion:
VERSUCH 5:
„Windrad“
VERSUCH 6:
„ Rauchfang“
Ø Wärmestrahlung:
Die Sonne liefert Licht und Wärme für das Leben auf der Erde. Sie ist die größte natürliche
Wärmequelle ( im Inneren: 20 Mill. °C; an der Oberfläche: ca. 600°C) . Ohne sie wäre eine
Existenz in der bestehenden Form undenkbar. Obwohl sie 150 Mill. km von der Erde entfernt
ist und der Raum dazwischen praktische leer ist, also keine Teilchen für Wärmeleitung und
Wärmeströmung vorhanden sind, ist ein Wärmetransport möglich.
Dieser erfolgt durch Wärmestrahlung:
Die Wärmestrahlung ist eine Infrarot-Strahlung. Wie das Licht und die
Röntgenstrahlung gehört sie zur Familie der elekromagnetischen Wellen. Sie breitet
sich geradlinig und mit Lichtgeschwindigkeit aus. Wärmestrahlen könne wie
Lichtstrahlen umgelenkt, zurückgeworfen oder gebündelt werden.
Wärmestrahlen benötigen zu ihrer Ausbreitung genau wie die Lichtstrahlen keine
Teilchen.
Die Strahlung selbst ist weder kalt noch warm, erst durch die Aufnahme der Strahlung
(„Absorption“) erwärmt sich ein Körper.
Jeder Körper sendet nicht nur Strahlung aus, er nimmt auch jederzeit Strahlung auf.
Schwarze, matte Körper nehme mehr Strahlung als blanke, glänzende Körper auf, geben aber
auch mehr Strahlung ab.
Siehe VERSUCH 7: „Absorption von Wärmestrahlung“
Diese Tatsachen finden praktische Anwendung:
§
weiße Lackierung von Kühlwägen
§
mattschwarze Ausführung von Sonnenkollektoren
§
helle Hausanstriche in wärmeren Gegenden
§
verspiegelte Thermosflaschen.
Die Wärmestrahlung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Daß sie abnimmt läßt sich
leicht am Beispiel einer Glühlampe erkennen. Nahe bei ihr ist die abgestrahlte Wärme groß,
weiter weg ist sie kaum noch spürbar.
Die Wärmestrahlung kann auch, wie Licht, Glas durchdringen.
Siehe VERSUCH 8: „Der Glashauseffekt“
VERSUCH 7 und Versuch 8 können von den Schülern als „Hausübung“ durchgeführt
werden, es reicht aber sicherlich auch mit den bereits vorhandenen Vorstellungen über ihren
Ausgang weiterarbeiten.
Anschließend die besprochenen Versuche und mögliche Arbeitsblätter:
VERSUCH 1: „Metall und Plastiklöffel“
Ziel: verschiedene Materialien leiten Wärme
unterschiedlich gut.
Es ist möglich, Wärme über einen festen
Körper von einem Punkt zu einem anderen
zu transportieren.
Material:
Teelöffel aus verschiedenen Stoffen
1 Gefäß
etwas Butter oder Wachs
Erbsen
heißes Wasser
Versuchsdurchführung:
Die Erbsen werden Mithilfe der Butter oder des Wachses in gleicher Höhe an den
Löffelenden befestigt. Die Löffel werden in das Gefäß gestellt und heißes Wasser wird
nachgefüllt.
Beschreibung:
Die Erbsen fallen zuerst von den Metallöffeln, dann erst von den Holz oder
Plastiklöffeln.
Erkenntnis:
Festkörper können Wärme von einem Punkt zum anderen leiten.
Einige Stoffe (z.B.: Metalle) leiten Wärme sehr gut, andere wie Holz oder Kunststoff
schlecht.
Bemerkung:
v Anstatt das Herunterfallen der Erbsen, also das Schmelzen der Butter zu beobachten kann
man auch einfach die Löffel an den Enden angreifen und ihre Temperatur so feststellen.
Problematische wird das ganze, wenn die Temperaturunterschiede so gering sind, daß sie
durch die Fingerwärme wieder verwischt werden oder wenn die Löffel schon alleine
durch das viele Angreifen erwärmt werden.
VERSUCH 2: „Metall und Plastikmünze“
Ziel:
Verschiedene Metalle leiten Wärme unterschiedlich gut
Material:
Kerze
verschiedene Metallmünzen
Versuchsdurchführung:
Jeweils zwei Münzen werden gleich weit über die Flammen gehalten. Die Münze, die zuerst
zu heiß zum Angreifen wird, wird zur Seite gelegt.
Auf diese Art und Weise kann man die Metalle der Münzen nach ihrer Leitfähigkeit ordnen.
Erkenntnis:
Metalle besitzen unterschiedliche Leitfähigkeit. Die größte Leitfähigkeit besitzt Silber
Bemerkung:
v Dieser Versuch kann gut von verschiedenen Schülern gleichzeitig durchgeführt werden.
Man könnte etwa Kerzen und einige Münzen verteilen und die Schüler auffordern, sie der
Leitfähigkeit nach zu ordnen.
VERSUCH 3: „Kochendes Eis“
Ziel: Zu zeigen, daß Wasser ein schlechter
Wärmeleiter ist
Material:
Reagenzglas, Reagenzglashalter
Kerze
Eiswürfel
Schraubenmuttern oder etwas Drahtwolle
Versuchsdurchführung:
Die Eiswürfel werden zerkleinert und einige Eisstücke werden ins Reagenzglas eingefüllt und
mit den Schraubenmuttern beschwert oder mit der Drahtwolle auf dem Boden des
Reagenzglases gehalten. Das Reagenzglas wird mit kaltem Wasser aufgefüllt.
Das Wasser am oberen Ende des Reagenzglases wird über der Kerzenflamme zum Sieden
gebracht. Dabei wird das Eis beobachtet.
Beschreibung:
Das Wasser kocht nach einiger Zeit und das Eis schmilzt trotzdem nicht.
Erkenntnis:
Die Wärme des kochenden Wassers gelangt nicht zum Eis. Wasser ist ein schlechter
Wärmeleiter.
Bemerkung:
v Ein weiterer möglicher Versuch ist es, die Eisstückchen nicht zu beschweren und das
Reagenzglas von unten zu erhitzen.
An die Schüler könnte die Frage gestellt werden: „Warum schmilzt das Eis jetzt?“
Dies wäre unter anderem ein möglicher Übergang zur Wärmeströmung.
VERSUCH 4: „Das Löffelwunder“
Ziel: Einprägsam klarzumachen, daß Silber ein
ausgezeichneter Wärmeleiter ist.
Material:
Silberlöffel
Baumwolltuch
brennende Zigarette
Versuchsdurchführung:
Ein Stück Baumwolltuch wird über einen Silberlöffel gespannt. Nun berührt man mit einer
glühenden Zigarette das Tuch. Die anhaftende Asche wird weggeblasen und das Tuch einer
genauen Betrachtung unterzogen.
Beschreibung:
Im Tuch befindet sich kein Loch. Das Gewebe ist intakt, höchstens Rußspuren sind zu
erkennen.
Erkenntnis:
Die Wärme der Zigarettenglut wird durch den Silberlöffel abgeleitet. Die Brenntemperatur
des Tuches wurde nicht erreicht.
Silber ist ein ausgezeichneter Wärmeleiter
Bemerkungen:
v Statt eines Silberlöffels kann auch eine Silbermünze, eventuell auch eine Kupfermünze
verwendet werden.
v Der Versuch funktionierte zu meiner Überraschung tatsächlich einwandfrei. Trotzdem
würde ich davon abraten besonders wertvolle Gewebe oder Kleidungsstücke dafür zu
verwenden.
v Außerdem ist zu beachten, daß bei Kunstfasern sehr wohl die Brenntemperatur erreicht
werden kann.
VERSUCH 5: „Windrad“
Ziel: Zu zeigen, daß warme Luft aufsteigt und
außerdem die Funktionsweise der bekannten
Weihnachtspyramiden zu erklären.
Material:
Papierblatt und Schere
Stecknadel, Holzstab
Kerze
Versuchsdurchführung:
Eine Papierscheibe wird ausgeschnitten, eingeschnitten und wie aus dem Bild erkennbar
zurechtgebogen. Die Scheibe wird mit der Stecknadel von unten an dem Holzstück so
befestigt, daß sie noch leicht drehbar ist.
Die Scheibe wird jetzt über die Kerzenflamme gehalten.
Beschreibung:
Die Scheibe beginnt sich zu drehen, sobald sie sich über der Kerze befindet.
Erkenntnis:
Warme Luft steigt nach oben. Während sie sich einen Weg am Rad vorbei sucht, setzt sie es
in Bewegung.
Bemerkung:
v Man ist leicht versucht die Scheibe an einem dünnen Faden zu befestigen. Wenn dessen
Drallrichtung mit dem Drehsinn der Scheibe übereinstimmt wird sich die Scheibe auch
ohne Kerze ständig, wenn auch nur leicht bewegen. Dadurch wird das eigentliche
Versuchsergebnis unklar.
v Eine andere Möglichkeit der Versuchsdurchführung ist, die Scheibe an einer Plastikschnur
zu befestigen, oder wie auf dem Bild zu sehen ist, ein Stativ zu verwenden.
v Auch einen stärkeren Faden der in die Gegenrichtung verdrillt ist zu verwenden ist eine
Möglichkeit. Ein Problem dabei ist, daß er die Scheibe stark in ihrer Beweglichkeit
einschränken kann.
VERSUCH 6: „Rauchfang“
Ziel: Funktionsweise eines Rauchfangs erklären
Material:
weite Glasröhre
brennende Kerze
Rauch (Zigarette, glosendes Papierstück,...)
Versuchsdurchführung:
Wie auf dem Bild zu erkennen ist wird eine weite
Glasröhre so über die brennende Kerze gestülpt, daß von unter Luft zuströmen kann. Rauch
wird von unten dazugeblasen. (Auslöschen einer anderen Kerze, Zigarettenrauch,...)
Beschreibung:
Der Rauch wird nach oben davongezogen.
Erkenntnis:
Die Warme Luft steigt nach oben, die kalte strömt von unten nach. Der Rauch wird wie in
einem Kamin mit nach oben getragen.
Versuch 7: „Absorption von Wärmestrahlung“
Ziel:
Dunkle Körper absorbieren bedeuten mehr Strahlung als helle
Spiegel reflektieren Wärmestrahlen Großteils.
Material:
Ein weißes und ein schwarzes Stück Karton
ebener Spiegel
Versuchsdurchführung:
Beide Kartonstücke und der Spiegel werden in die Sonne gelegt oder mit einer Lampe
bestrahlt. Nach einiger Zeit wird ihre Temperatur durch Berührung überprüft.
Beschreibung:
Das schwarze Kartonstück ist bedeutend wärmer als das weiße, beim Spiegel stellt man kaum
eine Erwärmung fest.
Erkenntnis:
Dunkle, rauhe Körper absorbieren bedeutend mehr Wärmestrahlung als helle, spiegelnde.
Versuch 8: „Der Glashauseffekt“
Ziel: Zeige, daß sich Wärmestrahlung und Licht
teilweise ähnlich verhalten
Material:
Wärmelampe
dünne Glasplatte
Mappe oder Holzbrettchen
Versuchsdurchführung:
Auf die eine Seite der Glasplatte stellt man die Wärmelampe und auf die andere hält man die
Hand. Dieser Versuch wird statt der Glasplatte mit einer Mappe oder einem Holzbrett
wiederholt.
Beschreibung:
Hinter der Glasplatte ist die Wärme fühlbar. Durch die anderen Stoffe geht sie nicht durch.
Erkenntnis:
Wärmestrahlung kann durch Glas teilweise dringen, nicht jedoch durch Holz oder Plastik.
Bemerkung:
v Auch in Glashäusern, Glasveranden usw. nützt man aus, daß die Wärmestrahlung
teilweise das Glas durchdringen und so zu einer Erwärmung des Innenraumes beiträgt.
v Glas ist bei weitem nicht so gut durchlässig für Wärmestrahlung wie für Lichtstrahlung.
Arbeitsblatt 1: Aufbau einer Thermosflasche
In Thermosflaschen können Flüssigkeiten lange Zeit warm oder kalt gehalten werden.
Dies erreicht man durch Vermeidung von Wärmetransport.
Die Innen- und die Außenseite des Gefäßes das die Flüssigkeit enthält, sind verspiegelt.
Dazwischen befindet sich ein Vakuum.
Das eigentliche Gefäß wird in einigem Abstand von einem Plastikgehäuse umschlossen,
dazwischen befindet sich Luft. Das Glasgefäß liegt auf einem Korkstück auf.
Bestandteile einer Thermosflasche
schematischer Aufbau einer Thermosflasche
a. Wie vermeidet man hier Wärmestrahlung?
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b. Wie vermeidet man hier Wärmeströmung?
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c. Wie vermeidet man hier Wärmeleitung?
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d. Was ändert sich, wenn das Glasgefäß z.B.: nur zu ¼ mit heißer Flüssigkeit
gefüllt wird?
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Arbeitsblatt 2: Wärmetransport
1. Wie kommt die Wärme des Feuers zu mir?
Physi steht vor einem Lagerfeuer und stellt sich einige Fragen. Kannst du sie ihm
beantworten?
a. Wieso kann ich meine Hand ½ m neben die Flammen halten ohne mich zu verbrennen,
aber nicht ½ Meter darüber?
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b. Physi steht 2 m vom Feuer entfernt. Wieso ist es dort noch immer relativ warm? Luft ist
doch ein schlechter Wärmeleiter.
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c.
Geht Physi weiter vom Feuer fort, so wird es schnell kälter. Warum ist das so? Auch wenn
er hinter einem Zelt steht, das nahe am Feuer aufgebaut ist, spürt er nichts mehr von der
Wärme des Feuers. Warum?
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2. Doppelglasfenster
Zur Wärmeisolation werden statt einer einzigen Glasscheibe mehrere verwendet. Zwischen
ihnen befindet sich ein Luftpolster. Die schlecht leitende Luft soll die Wärmeleitung von
innen nach außen vermindern.
Alte Doppelfenster hatten oft einen großen Abstand zwischen den
Glasscheiben. Unbeabsichtigt trat so Wärmeströmung ein.
Beschreibe anhand der Skizze den Vorgang und seine Auswirkungen:
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....................................................................................
....................................................................................
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Neuere Dreifachfenster:
Heute werden die einzelnen Glasschichten nur noch durch dünne
Luftschichten getrennt.
Aufgrund der geringen Breite des Luftspalts ist hier Konvektion nicht mehr
möglich.
Auflösung der gestellten Fragen:
v Arbeitsblatt 1: Aufbau einer Thermosflasche:
a. Wie vermeidet man hier Wärmestrahlung?
Es kann weder Strahlung von innen nach außen noch von außen nach innen gelangen, da
beide Seiten des Glasgefäßes verspiegelt sind. Strahlen von außen werden zusätzlich
durch das Plastikgehäuse abgeschirmt.
b. Wie vermeidet man hier Wärmeströmung?
Durch den Vakuummantel der zwischen den beiden verspiegelten Glasschichten liegt
c. Wie vermeidet man hier Wärmeleitung?
Durch Verwendung von schlecht leitenden Stoffen wie Glas, Luft und Kork. Außerdem
durch den Vakuummantel des inneren Gehäuses
d. Was ändert sich, wenn das Glasgefäß z.B.: nur zu ¼ mit heißer Flüssigkeit gefüllt wird?
Die gesamte Wärme im Inneren bleibt erhalten. Da aber Flüssigkeit und Luft in Kontakt
sind gibt die Flüssigkeit einen Teil ihrer Wärme an die Luft ab und kühlt sich dabei ab.
v Arbeitsblatt 2:
Wie kommt die Wärme vom Feuer zu mir?
a. Wieso kann ich meine Hand ½ m neben die Flammen halten ohne mich zu verbrennen, aber
nicht ½ Meter darüber?
Aufgrund der Wärmeströmung steigt die heiße Luft auf. Daher ist es über der Flamme
wesentlich wärmer als neben ihr.
b. Physi steht 2 m vom Feuer entfernt. Wieso ist es dort noch immer relativ warm? Luft ist
doch ein schlechter Wärmeleiter.
Der Wärmetransport erfolgt nicht über Wärmeleitung, sondern über Wärmestrahlung
c. Geht Physi weiter vom Feuer fort, so wird es schnell kälter. Warum ist das so? Auch wenn
er hinter einem Zelt steht, das nahe am Feuer aufgebaut ist, spürt er nichts mehr von der
Wärme des Feuers. Warum?
Wärmestrahlen nehmen mit dem Quadrat der Entfernung von der Quelle ab. Außerdem
können sie wie Licht nur wenige Stoffe gut durchdringen wie z.B.: Luft, Glas.
„Doppelglasfenster“
An der Innenseite des Doppelfensters erwärmt sich die Luft
und steigt auf. An der Außenseite des Fensters kühlt die
Luft sich ab und sinkt nach unten.
So entsteht ein Luftstrom (Konvektion), der zu einer
zusätzlichen Wärmeströmung von innen nach außen führt.
Die Konvektion macht den Effekt der Wärmedämmung
durch die schlecht leitende Luft zwischen den
Fensterscheiben zum großen Teil wieder zunichte.
Bemerkungen zu den Arbeitsblättern:
v Mein Ziel war es, die Arbeitsblätter so zu gestalten, daß das bereits Gelernte im täglichen
Leben wiedergefunden und erkannt wird.
v Beide Arbeitsblätter sind erst für die Zeit NACH der Behandlung des Stoffes der
Wärmeleitung geeignet, da sie auf den dort erlernten Begriffen aufbauen und diese
nochmals zu festigen suchen.
v Sie können den Schülern als „Hausübung“, als Einzel oder Gruppenarbeit gestellt werden,
sie können aber auch gemeinsam mit dem Lehrer durchbesprochen und behandelt werden.
Änderung der Aggregatzustände:
Auch die Behandlung dieses Stoffes ist wieder für die Unterstufe gedacht. Einige Teilbereiche
wie etwa die Anomalie des Wassers wurden ausgelassen, auch auf die praktischen
Anwendungen wird hier nicht eingegangen.
v Schmelztemperatur und Schmelzwärme
In einem Festkörper liegen die Teilchen wie in einem Gitter dich beieinander. Sie können
ihren Platz nicht verlassen, sich aber ein bißchen bewegen. Bei Erwärmung geraten sie in
immer stärkere Bewegung, ihre Abstände untereinander vergrößern sich, ihr Zusammenhalt
wird schwächer.
Ab einer bestimmten Temperatur, der Schmelztemperatur, ist diese Bewegung so stark, daß
die Teilchen den Zusammenhalt teilweise verlieren. Der Stoff beginnt zu schmelzen.
Führt man einem kalten Festkörper langsam Wärme zu, so nimmt zuerst seine Temperatur mit
der Zeit zu, bis die Schmelztemperatur erreicht ist. Trotz weiterer Energiezufuhr bleibt die
Temperatur jetzt gleich der Schmelztemperatur bis das gesamte Eis geschmolzen ist. Während
dieser Zeit geht die ganze Wärme, also die ganze Energie in das Lösen der
Teilchenbindungen. Erst nachdem der gesamte Festkörper geschmolzen ist steigt die
Temperatur wieder.
Die im Schmelzvorgang zugeführte Wärmemenge, die notwendig ist, um einen Körper vom
festen Zustand in den flüssigen überzuführen, heißt Schmelzwärme.
Ein Beispiel:
Holt man z.B.: an einem kalten
Tag Schnee von draußen in die
Wohnung und läßt ihn dort in
einem Glas stehen, so wird ihm
durch die Umgebungstemperatur
ständig Wärme zugeführt.
Mißt man seine Temperatur
ständig, so erhält man in etwa
folgendes Diagram:
Daraus läßt sich leicht ablesen,
daß der Schmelzpunkt von Eis bei
0° C liegt.
Versuche dazu:
Versuch 1 : „Schmelztemperatur von Schnee“
Versuch 2 : „Schmelztemperatur von Schnee/Salz Gemisch“
Versuch 3 : „Bestimmung der Schmelzwärme von Schnee“
v Siedetemperatur und Verdampfungswärme
Bei weiterer Temperaturerhöhung wird die Bewegung der Teilchen noch stärker, sie verlieren
ab einer gewissen Temperatur vollständig den Zusammenhalt und werden gasförmig.
Bei ständiger Wärmezufuhr wird die Temperatur bis zum Siedepunkt steigen, hier beginnt die
Flüssigkeit zu kochen. Die Temperatur bleibt dabei gleich, bis die gesamte Flüssigkeit
verdampft ist. Es ist unmöglich eine Flüssigkeit über die Siedetemperatur zu erhitzen.
(Bemerkung: Diese Aussage gilt natürlich nur für Normaldruck)
Versuche dazu:
Versuch 4 : „Siedetemperatur
Versuch 5 : „Destillation“
Versuch 1: Schmelztemperatur von Schnee
Ziel: Die Schmelztemperatur des Schnees soll ermittelt werden, außerdem soll der
Temperaturverlauf beim Schmelzen nochmals klargemacht werden.
Material:
Gefäß mit Schnee
Thermometer
Versuchsdurchführung:
Das Gefäß wird an einen warmen Platz
gestellt und der Temperaturverlauf wird
über einige Zeit notiert
Beschreibung:
Die Temperatur des Eis-Wasser
Gemisches bleibt konstant bei 0°C bis
der gesamte Schnee geschmolzen ist. Erst danach steigt sie wieder.
Erkenntnis:
Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0°C. Während des Schmelzvorgangs geht die gesamte
zugeführte Energie in die Bindungstrennung. Die Temperatur steigt erst wieder, wenn der
gesamte Schnee geschmolzen ist.
Bemerkung:
v Dieser Versuch sollte nicht als Lehrerversuch sondern von den Schülern selbst
durchgeführt werden.
Versuch 2: Schmelztemperatur von Schnee/Salz
Ziel: Wieder soll die Schmelztemperatur des Stoffes ermittelt werden.
Außerdem soll der Sinn des Salzstreuens im Winter erklärt werden.
Material:
Gefäß mit Schnee, Salz
Thermometer
Versuchsdurchführung:
Das Salz wird unter den Schnee
gemischt. Wieder wird der
Temperaturverlauf beim Schmelzen
beobachtet.
Beobachtung:
Das Thermometer sinkt bei der Zugabe
des Salzes unter 0°C und bleibt dort, bis
das gesamte Eis geschmolzen ist. Erst dann steigt die Temperatur wieder.
Erkenntnis:
Der Schmelzpunkt der Salzmischung ist niedriger als der des Schnees. Das Salz wird im
Wasser gelöst. Dieser Lösungsvorgang benötigt Wärme, die dem Eis entzogen wird. Die Eis
Schnee Mischung schmilzt also schon bei niedrigerer Temperatur.
Bemerkungen:
v Dieser Versuch sollte wieder von den Schülern selbst durchgeführt werden. Da
unterschiedliche Mengen an Salz und unterschiedliche Art der Zugabe des Salzes (auf
einmal, in kleinen Mengen,...), unterschiedlich tiefe Schmelztemperaturen bewirken,
können mehrere den Versuch gleichzeitig durchführen.
Dabei stellt sich sicher auch der Wettbewerbsgedanke ein: „Wer schafft die tiefste
Temperatur?“
v Anschließend kann auch noch auf die Problematik des Salzstreuens eingegangen werden.
Vielleicht anhand der Frage, warum Bäume und Pflanzen entlang von Straßen die mit Salz
gestreut werden, im Sommer so „krank“ aussehen.
Versuch 3: Schmelzwärme
Versuch 4: Siedetemperatur
Ziel:
Zu zeigen, daß der Siedepunkt von Wasser ist
nicht gleich der einer Salzlösung ist.
Versuchsdurchführung:
Analog zur Anleitung die auf der nächsten Seite zu finden ist.
Erklärung des Phänomens:
Die gelösten Salzteilchen können die Flüssigkeit nicht
verlassen. Die Wasserteilchen werden mit steigender
Temperatur immer schneller. Je schneller sie werden,
desto größer ist ihr Chance aus der Flüssigkeit zu
entweichen und in den Gasförmigen Zustand
überzugehen.
In der Salzlösung werden sie jetzt durch die störenden
Salzteilchen zusätzlich abgebremst.
Sie brauchen also höhere Geschwindigkeiten und daher nochmals eine höhere Temperatur um
in den gasförmigen Zustand zu wechseln.
Versuch 5: Destillation
Ziel: Aufzeigen einer praktischen Anwendung der unterschiedlichen Siedepunkte von
Flüssigkeiten.
Versuchsbeschreibung: Siehe folgende Seiten
Bemerkung:
v Der Versuch wurde bei uns im Praktikum nicht durchgeführt, da er uns bereits
hinreichend bekannt war. Auch wenn dieses Anwendungsgebiet eher in der Chemie zu
finden ist, würde ich den Versuch trotzdem durchführen.
v Anstelle von gefärbtem Wasser kann auch ein Verdünnungssaft der mit Wasser
aufgespritzt wurde, verwendet werden. Die abdestillierte Flüssigkeit ist dann ebenfalls
wieder farblos.
Von der Verwendung einer Salzlösung würde ich eher abraten, da für den Schüler beim
Hinsehen hier kein Unterschied zu erkennen ist.