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3.2.2 Die erste Doppelstunde
Die erste Doppelstunde beginnt zunächst mit dem Vortest zur Wärmelehre. Für einen motivierenden Einstieg, stelle ich diese Stunde unter die Frage, wie lange ich Fahrrad fahren muss, eine
Leistung von 100W angenommen, um einen Liter Wasser zum Sieden zu bringen. Eine Schätzfrage, die im Ergebnis sicherlich sehr verwundert. Inhaltlich geht es in dieser Stunde um die
Einführung des Wärmebegriffs, der Wiederholung der Wärmekapazität und gute und schlechte
Energiespeicher.
Am Ende der Stunde können die Schülerinnen und Schüler den Begriff der Wärme als Prozessgröße erklären und diese Größe von der Temperatur abgrenzen. Sie kennen charakteristische
Werte der Wärmekapazitäten verschiedener Stoffe und können gute und schlechte Energiespeicher benennen.
Um die eingangs erwähnte Schätzfrage zu beantworten werden zunächst Schätzwerte der Schülerinnen und Schüler gesammelt. Da die Klasse sehr leistungsstark ist erwarte ich, dass bereits
hier der Begriff der Wärmekapazität fällt.
Um eine Struktur in die Vorgehensweise zu bringen, müssen wir uns zunächst überlegen, welche Bedeutung der Begriff der Wärme in der Physik besitzt. Dazu wird im Lehrerexperiment mit
Hilfe eines Tauchsieders etwas Wasser erhitzt. Die Schülerinnen und Schüler haben in der letzten Stunde mit ihrem Fachlehrer das Teilchenmodell, sowie die Aggregatzustände wiederholt. Im
Lehrer-Schüler-Gespräch wird auf der Modellebene des Teilchenmodells geklärt, wie die Energie des Tauchsieders an das Wasser übertragen wird. Dazu dient ein kleines Rollenspiel, bei
dem die Schüler als Moleküle eines Tauchsieders und als Wassermoleküle diesen Sachverhalt
nachspielen. Der Energieübertrag durch Molekülstöße erhöht die Bewegung der Wassermoleküle, die Temperatur des Wassers steigt. Damit erhöht sich auch die innere Energie des Wassers.
Diese Form des Energieübertrags nennen wir Wärme. Eine Ergebnissicherung dieses Sachverhalts findet direkt im Anschluss statt.
Um den Schülerinnen und Schülern den anspruchsvollen Begriff der Wärme im Sinne einer
Prozessgröße verständlich zu machen, wird in Form eines kleinen Spiels eine Analogie zwischen
Wärmeübertrag und einer Banküberweisung hergestellt: Der Kontostand von Person 1 entspricht
seiner Energie. Die Überweisung, die er an Person 2 tätigt (Überweisungsbetrag), entspricht
der Wärme. Der Kontostand von Person 2 enspricht wiederum dessen Energie. Abbildung 2
verdeutlicht diese Analogie. Durch diese gezielte Visualisierung verstehen die Schülerinnen und
Schülern den Wärmebegriff als Prozessgröße.
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Um die eingangs erwähnte Frage des Erhitzens von einem Liter Wasser zu beantworten, benötigen wir nun noch den Begriff der Wärmekapazität. Dieser den Schülerinnen und Schülern
bereits aus dem letzten Schuljahr bekannte Begriff wird kurz wiederholt. Im Anschluss daran
messen wir die Wärmekapazität des Wassers, denn wir müssen wissen, wie viel Energie wir
benötigen, um einen Liter Wasser zum Sieden zu bringen.
Das Messen der Wärmekapazität des Wassers geschieht auf Anleitung der Schüler, d.h. der
Lehrer handelt nach den Vorgaben der Schüler. Ich erwarte mir an dieser Stelle eine physikalische Diskussion über den Messvorgang, da der erste Vorschlag der Schüler sicherlich nicht
ganz korrekt sein wird.
Nach dem Messen der Wärmekapazität lösen die Schüler die zentrale Frage („Wie lange muss
ich Fahrrad fahren, eine Leistung von 100W angenommen, um einen Liter Wasser zum Sieden
zu bringen?“) in Zweiergruppen. Durch die anschließende Präsentation des Lösungsvorschlags
eines Schülers werden die Ergebnisse verglichen. Es stellt sich heraus, dass dafür eine Zeit von
knapp einer Stunde benötigt wird. Ein Wert, den wohl kaum ein Schüler voraus gesagt hätte.
Durch diese Aufgabe erkennen die Schüler die enorme Wärmekapazität von Wasser, was im
Umkehrschluss heißt, dass Wasser ein sehr guter Wärmespeicher ist, da es beim Erhitzen sehr
viel Energie aufnimmt.
Dies wird im Lehrer-Schüler-Gespräch über die Frage erörtert, warum man Bettflaschen mit
Wasser befüllt und nicht statt der Bettflasche einen anderen Stoff nimmt. Ein abschließender
Tafelanschrieb schließt dieses Thema ab.
Als Anwendung der Wärmekapazität dient zum Abschluss der Stunde ein Experiment, mit dem
man die Temperatur eines in die Flamme eines Bunsenbrenners gehaltenes Kupferstück berechnen kann. Das Kupferstück wird erhitzt und anschließend in ein Wasserbecken gegeben. Über
die Temperaturerhöhung des Wassers können wir die Anfangstemperatur des Kupferstücks bestimmen.
Realer Verlauf der Stunde:
Die Unterrichtsstunde begann zunächst mit der Durchführung des Vortests und der kurzen Widerholung des Teilchenmodells anhand der Aggregatzustände aus der letzten Stunde.
Der Tafelanschrieb zum Energieübertrag zwischen Tauchsieder und Wasser konnte im LehrerSchüler-Gespräch sehr gut erarbeitet werden. Dabei zeigte sich, dass auch schwächere Schüler
diesen Sachverhalt nachvollziehen konnten.
Der nachfolgende Unterrichtsabschnitt mit der Analogie „Banküberweisung - Wärme“ verlief
planmäßig. Die Schülerinnen und Schüler signalisierten mir daraufhin, dass sie diesen Sachverhalt verstanden hätten8 .
Ich hatte das Gefühl, dass der anschließende Unterrichtsteil zur Wärmekapazität etwas träge
war. Die Problematik war, dass ein Teil der Klasse sofort wusste, um was es ging, während ein
anderer Teil scheinbar Neuland betrat. Der letztjährige Physiklehrer dieser Klasse bestätigte mir
im Vorfeld, dass die Wärmekapazität in Klasse 9 sogar von den Schülern selbst gemessen wurde.
Da nahezu alle Schüler noch den Wert für die spezifische Wärmekapazität von Wasser kannten,
entschloss ich mich, diesen Wert nicht, wie zunächst noch einmal geplant, zu messen.
Nachdem die Gleichung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser mit deren Bezeichnungen
an der Tafel stand, begannen die Schülerinnen und Schüler damit, die zentrale Frage zu lösen.
Ein paar Schüler berechneten die Zeit zum Fahrrad fahren bereits während ich die Gleichung
erklärte, sodass diesen Schülern, während der Rest der Klasse am Rechnen war, langweilig
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Eine Überprüfung dieser Kompetenz fand im Unterrichtsteil der Energiespeicher statt.
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wurde.
Ich würde also bei der nächsten Durchführung dieses Unterrichtsgangs diese Wiederholung anders gestalten. Beispielsweise könnte ich, statt den Tafelanschrieb mit den Schülerinnen und
Schülern zu entwickeln, zielgerichteter vorgehen und mehr vorgeben, um diesen Unterrichtsteil abzukürzen. Einer der beiden leistungsstärkeren Schüler durfte die Lösung im Anschluss
präsentieren, wodurch ich diesen Schüler wieder am Unterrichtsgeschehen beteiligen konnte.
Die Schüler erkannten im Anschluss sehr schnell, dass Wasser ein sehr guter Energiespeicher
ist. Im Sinne der Kompetenzorientierung gab ich die Frage an die Schüler weiter, warum ich
statt Energiespeicher nicht Wärmespeicher sage. Einer der eher schwächeren Schüler antwortete mir darauf nahezu wortwörtlich, dass der Begriff „Wärme“ einen Prozess charakterisiert und
deshalb keinen Zustand beschreiben kann.
Als Beispiel für die gute Energiespeicherbarkeit von Wasser wurde die Wärmeflasche bzw. Bettflasche besprochen.
Das abschließende Experiment der Unterrichtsstunde wurde planmäßig durchgeführt.
3.2.3
Die zweite Doppelstunde
Die zweite Doppelstunde steht unter folgendem Kontextbezug: „Warum kann ich aus einem versalzenen Essen das Salz nicht einfach wieder rausholen?“. Inhaltlich geht es hier also um die
Umkehrbarkeit, bzw. vielmehr um die Unumkehrbarkeit im Alltag ablaufender Vorgänge.
Am Ende der Stunden können die Schülerinnen und Schüler alltagbezogene Prozesse oder
Vorgänge mit Hilfe der Entropie auf Reversibilität untersuchen, das heißt, sie können angeben,
bei welchen Vorgängen Entropie erzeugt wird. Sie sind zudem in der Lage zu erklären, unter
welchen Voraussetzungen bestimmte Vorgänge umkehrbar sind.
Zu Beginn der Stunde lasse ich einen Schüler einen stark versalzenen Kartoffelbrei probieren.
Im darauffolgenden Lehrer-Schüler-Gespräch werden Antworten auf die zentrale Frage bzw. den
Kontextbezug gesucht. Was hat das Ganze mit Physik zu tun? Dazu überlegen wir uns, was es
physikalisch heißt, wenn ein Vorgang nicht umkehrbar ist.
Dazu wird den Schülerinnen und Schülern ein Foto von glühenden Bremsscheiben gezeigt. Im
anschließenden fragend-entwickelten Unterricht wird geklärt, was mit der Energie des Autos
beim Bremsvorgang passiert. Es ist für die Schülerinnen und Schüler einsichtig, dass eine Umkehrung des Bremsvorgangs (Bremsscheiben kühlen sich ab und beschleunigen das Auto) in
der Realität niemals vorkommen wird.
Die Entropie wird nun eingeführt als physikalische Größe, die charakterisiert, wieviel der anfänglichen Energie des Autos in innere Energie der Umgebung umgewandelt wird. Wir sagen:
„Je mehr Energie in innere Energie umgewandelt wird, desto mehr Entropie wird erzeugt.“. Die
Ergebnissicherung dieses Sachverhalts findet in Form eines Tafelanschriebs statt.
Im Anschluss daran wird am Beispiel des Bremsvorgangs gezeigt, dass die Entropie eine Größe ist, die zwar erzeugt, nicht aber vernichtet werden kann. Letzteres würde bedeuten, dass
das Auto beschleunigt, indem sich die Bremsscheiben abkühlen; ein wie oben erwähnt für die
Schüler realitätsfremder Vorgang.
Die Schülerinnen und Schüler sind nun in der Lage, die zentrale Frage zu beantworten. In Partnerarbeit überlegen sie sich eine physikalische Erklärung für den Kartoffelbrei, dessen Salz nicht
einfach „herausgeholt“ werden kann. Die Schülervorschläge werden anschließend gesammelt
und verschriftlicht.
Die Entropie ist für die Schülerinnen und Schüler eine schwer fassbare Größe. Was genau ist
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Entropie? Kann ich Entropie messen? Was bedeutet Entropie in der Physik? Das alles sind
Fragen, die sich einige Schüler sicherlich stellen.
Um den Begriff der Entropie allgegenwärtiger und greifbarer zu machen, besteht der zweite Teil
der Doppelstunde aus einer Gruppenarbeit, bei der die Schülerinnen und Schüler verschiedene
Stationen mit kleineren Experimenten zur Erzeugung von Entropie durchlaufen. Die einzelnen
Vierergruppen erhalten die Aufgabe, zwei der folgenden Stationen zu protokollieren und sich
dabei zu überlegen, unter welchen Umständen der Vorgang ihrer Station umkehrbar ist bzw. ob
hierbei Entropie erzeugt wird:
• Ein hüpfender Gummiball.
• Eine Brausetablette und ein Glas Wasser.
• Ein Federpendel und ein Fadenpendel, bei dem die Auslenkung variiert wird.
• Eine Kerze und ein Feuerzeug.
• Ein Kugelstoßpendel, bei dem Auslenkung und Zahl der ausgelenkten Kugeln variiert werden.
Die einzelnen Gruppen protokollieren ihre jeweils erste Station zusätzlich auf Folie. Im Anschluss
an die Gruppenarbeit präsentiert eine Schülerin oder ein Schüler jeder Gruppe ihre Ergebnisse.
Realer Verlauf der Stunde:
Der Einstieg mit dem versalzenen Kartoffelbrei verlief planmäßig. Allerdings konnten die Schülerinnen und Schüler mit dem Bild der Bremsscheiben wenig anfangen. Im Nachhinein hatte ich
den Eindruck, dass die Schüler lange Zeit überlegten, auf was der Lehrer hinaus möchte. Offensichtlich wusste ein Großteil der Klasse nicht, wie Bremsscheiben aussehen bzw. dass diese
heiß werden und glühen können. Hier wäre ein Bild, das den Sachverhalt deutlicher zeigt oder
ein Video, auf dem die Bremsscheiben langsam anfangen zu Glühen sicherlich vorteilhafter gewesen.
Der anschließende Tafelanschrieb konnte mit den Schülerinnen und Schülern sehr gut erarbeitet
werden. Dabei zeigten mir eine Schülerin und ein Schüler, dass sie den Prozess des Bremsvorgangs (thermische Energie der Bremsen erhöht die innere Energie der Luft) verbal so beschreiben konnten, dass am Ende ihre selbst formulierten Sätze als Ergebnissicherung dienten.
Durch die Unmöglichkeit der Umkehrung des Bremsvorgangs (Bremsscheiben kühlen sich ab
und beschleunigen das Auto) erkannten die Schülerinnen und Schüler, dass die Entropie eine
Größe ist, die zwar erzeugt, nicht aber vernichtet werden kann.
Nun war die Klasse in der Lage, die zentrale Frage mit dem versalzenen Essen in einem physikalischen Kontext zu beantworten. Auch hier konnte ich die von einem Schüler formulierte Antwort
nach kurzer Diskussion im Lehrer-Schüler-Gespräch nahezu unverändert als Ergebnissicherung
übernehmen.
Die anschließende Gruppenarbeit zur Unumkehrbarkeit von Vorgängen verlief wie geplant, die
Schülerinnen und Schüler konnten die einzelnen Stationen größtenteils ohne weitere Hilfe der
Lehrkraft durchführen. Durch die zu beantworteten Fragen auf den Stationszetteln konnten die
Schülerinnen und Schüler ihre Versuchsergebnisse präzise formulieren, was sich in einer kurzen
aber effektiven Präsentation der einzelnen Stationen widerspiegelte.
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3.2.4
Die dritte Doppelstunde
Nachdem in der zweiten Doppelstunde die Entropieproduktion von Vorgängen untersucht wurde,
wird in dieser letzten Doppelstunde der Zusammenhang zwischen Entropie im Sinne der Statistik hergestellt. Um eine Vergleichbarkeit beider Unterrichtsgänge zu gewährleisten, schließt
diese Doppelstunde mit einer ausgedehnten Gruppenarbeit zur Wärmeströmung. Die Stationnen dieser Gruppenarbeit sind identisch mit den Stationen 8-13 des Lernzirkels „Wesenszüge
der Entropie“ aus dem anderen Unterrichtsgang. In dieser Klasse wird also nicht untersucht,
wann und wie Entropie fließt, sondern der Entropiebegriff wird hier durch den Wärmebegriff ersetzt. Somit bleibt die Entropie in dieser Klasse eine eher statistische Größe, die die Eigenschaft
hat, immer zusammen mit Wärme zu fließen.
Als Kontextbezug dient die Frage: „Warum kühlt man Kraftwerke mit Kühltürmen herunter, wenn
man in den Brennkammern doch eine möglichst große Temperatur erzeugen möchte?“. Am Ende
der Stunde sollen die Schülerinnen und Schüler diese zentrale Frage beantworten können, sowie
den Zusammenhang der Formel
S=
Wth
T
(7)
mit der Entropie S, der bei der Temperatur T übertragenen Wärme Wth , verbal beschreiben
können.
Nachdem als Unterrichtseinstieg ein Bild eines Kühlturms gezeigt wird, sammelt die Klasse kurz
Vorschläge zur Beantwortung der zentralen Frage. Um diese allerdings physikalisch beantworten zu können, schauen wir uns die Größe Entropie etwas genauer an:
In der letzten Stunde haben die Schülerinnen und Schüler erkannt, dass das Hinzugeben von
Salz in ein Essen Entropie erzeugt. Das Salz vermischt sich mit dem Rest, es hat somit viele
Möglichkeiten, sich zu verteilen. Dieser Sachverhalt wird im kurzen Lehrer-Schüler-Gespräch
wiederholt. Im Sinne Ludwig Boltzmanns gilt somit: Viel Entropie bedeutet viele Verteilungsmöglichkeiten. Ein anschließendes Arbeitsblatt (ausgefülltes Arbeitsblatt siehe Abbildung 3) verdeutlicht diesen Sachverhalt anhand des Abkühlungsvorgangs einer Tasse Kaffee.
Dadurch erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die thermische Energie der Tasse Kaffee
stärker „verdünnt“ wird, denn sie besitzt mehr Verteilungsmöglichkeiten. Bei tiefen Temperaturen
wird Energie somit von viel Entropie begleitet.
Was hat das mit der eingangs gestellten Frage mit den Kühltürmen zu tun?
In einem kurzen Lehrerinput wird den Schülerinnen und Schülern erklärt, dass bei tiefen Temperaturen Wärme mit viel Entropie übertragen wird, wobei als Ergebnissicherung ein Tafelanschrieb dient, welcher den mathematischen Zusammenhang von Gleichung (7) enthält.
Im Anschluss daran sehen die Schülerinnen und Schüler eine Videoaufzeichnung eines Vortrags
des Science-Slam-Finales 20109 , das sich mit dieser Thematik beschäftigt. Das Video wird zweimal bis Minute 7:00 angesehen, wobei die Schülerinnen und Schüler beim ersten Anschauen
lediglich zuhören. Beim zweiten Durchlauf und im Anschluss beantworten sie die zentrale Frage selbstständig. Im Anschluss daran wird an einer Grafik eines Kraftwerks erklärt, an welcher
Stelle im Kraftwerksprozess die Entropie abgegeben wird.
In den letzten 30-40 Minuten der Doppelstunde absolvieren die Schülerinnen und Schüler in
Gruppen jeweils zwei Stationen aus dem in der 10a durchgeführten Lernzirkel „Wesenszüge
der Entropie“ (Stationen 8-13) unter dem Kontext der Wärmeströmung. Die Anleitungen der
Experimente wurden auf diese Klasse angepasst. Es wird interessant sein zu sehen, inwiefern
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Das Video ist auf Youtube unter http://www.youtube.com/watch?v=z64PJwXy–8 zu finden.
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Abbildung 3: Arbeitsblatt „Entropie und Verteilungsmöglichkeiten“
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die einzelnen Gruppen die Begriffe Entropie und Wärme miteinander verbinden.
Die Vorstellung der einzelnen Experimente durch jeweils eine Schülerin oder einen Schüler der
Gruppen folgt in der nächsten Doppelstunde, welche in dieser Arbeit nicht weiter dokumentiert
wird.
Realer Verlauf der Stunde:
Die Stunde begann zunächst mit einer Wiederholung des Entropie-Begriffs. Da aufgrund eines
Feiertags in der letzten Woche kein Physikunterricht stattfinden konnte, wurde diese Wiederholung etwas ausführlicher behandelt. Es zeigte sich jedoch, dass der Begriff der Entropie ein für
die Schüler eher unverständlicher und abstrakter Begriff ist. Schlussendlich konnten jedoch die
zentralen Inhalte der vorangegangenen Stunde zufriedenstellend zusammengefasst werden.
Die Eingangsfrage („Warum kühlt man Kraftwerke mit Kühltürmen herunter, wenn man in den
Brennkammern doch eine möglichst große Temperatur erzeugen möchte?“) erzeugte bei den
Schülerinnen und Schülern wie erwartet eine kognitive Dissonanz, da der Kühlturm im augenscheinlichen Widerspruch zur Brennkammer des Kraftwerkes steht. An dieser Stelle konnte nur
ein Schüler eine grobe Idee für diese Tatsache liefern. Ich hatte jedoch den Eindruck, dass die
Frage für viele Schülerinnen und Schüler sehr interessant war.
Um diesen Kontextbezug zu beantworten, betrachteten wir die Größe Entropie unter einem anderen Gesichtspunkt. Das in Abbildung (3) gezeigte Arbeitsblatt konnte wie erwartet nur mit
starker Lehrersteuerung bearbeitet werden. Dabei wurde deutlich, dass auch diese Interpretation der Entropie für die Schüler sehr abstrakt ist.
Im Anschluss daran konnte der Zusammenhang
S=
Wth
T
mit der Entropie S und der übertragenen Wärme Wth bei der Temperatur T von der Klasse nachvollzogen werden.
Um nun die zentrale Frage zu beantworten wurde wie geplant der Youtube-Film zweimal bis Minute 7:00 angesehen. Beim ersten Mal bekamen die Schüler die Aufgabe nur zuzuhören, beim
zweiten Durchgang und danach machten sie sich Notizen.
Nach der anschließenden Besprechung wurde mit den Schülerinnen und Schülern anhand eines grafischen Schemas eines Kohlekraftwerks geklärt, an welcher Stelle dort die „Abgabe“ der
Entropie stattfindet.
Die Schülerexperimente konnten am Ende der Stunde planmäßig durchgeführt werden, wobei
die Vorstellung durch die Schülerinnen und Schüler Teil der nächsten Stunde ist.
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