D I P L O M A R B E I T

W Ä R M E L E H R E -

S C H Ü L E R - U N D D E M O N S T R A T I O N S E X P E R I M E N T E I N D E R K L I M A - U N D E N E R G I E W E R K S T A T T G R A Z

D I P L O M A R B E I T

Zur Erlangung des akademischen Grades eines Magisters

an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Karl- Franzens- Universität Graz

V O R G E L E G T V O N J A K O B K A L T E N B Ö C K

A M I N S T I T U T F Ü R E X P E R I M E N T A L P H Y S I K

B E G U T A C H T E R : A O . U N I V . - P R O F . D I P L . - I N G . D R . G E R N O T P O T T L A C H E R

G R A Z , 2 0 2 1

I

DANKSAGUNG

Ich nutze die Gelegenheit, um einigen Menschen zu danken, ohne die diese Arbeit und meine Studienleistungen in den letzten Semestern und mein Studium im Allgemeinen nicht möglich gewesen wären.

Ich bedanke mich insbesonders bei Dr. Dipl. Ing. Rudolf Schwarz und seinem Team, dass ich meine Arbeit mit und über die Klima- und Energiewerkstatt schreiben durfte.

Ein großer Dank gebührtAo. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, der es mir ermöglicht hat die Arbeit über dieses Themengebiet zu schreiben. Durch seine Betreuungstätigkeit hat er mich beim Schreiben der Arbeit sehr unterstützt.

Bei meinen Eltern bedanke ich mich an dieser Stelle auch, ohne deren Unterstützung, jeglicher Art, wären meine Studienjahre nicht so sorglos gewesen.

Des Weiteren danke ich meinen Freundinnen und Freunden, die mich auf dem Weg zum Studienabschluss begleitet haben. Ein besonderer Dank hierbei gilt Lena Bräunlich ohne sie wären die letzten Monate nur halb so erfolgreich gewesen.

Besonders herzlich bedanke ich mich bei meiner Freundin Sina Fischer, ohne ihre Unterstützung wäre ein Studienabschluss im auslaufenden Diplomstudium undenkbar gewesen.

II

INHALT

Danksagung ... I

Einleitung ... 1

Umfeld ... 1

Außerschulische Lernorte ... 2

Lehrplanbezug ... 6

Wärmelehre ... 7

Hauptsätze der Thermodynamik ... 7

Aggregatszustände und Phasenübergänge ... 9

Temperatur und Temperaturskalen ... 9

Arten der Wärmeübertragung ... 10

Experimente in der KEWG ... 13

Temperatur ... 14

Temperaturmessung ... 14

Temperaturregler ... 16

Wärmeäquivalent ... 18

Mechanisches Wärmeäquivalent ... 18

Elektrisches Wärmeäquivalent ... 20

Gasgesetzte ... 22

Sieden bei Raumtemperatur ... 22

Der neugierige Luftballon ... 23

Arten der Wärmeübertragung ... 25

Wärmestrahlung I ... 25

Wärmestrahlung II ... 26

Wärmestrahlung III ... 28

Wärmeleitung (Hände) ... 30

Konvektionsexperiment ... 32

Wärmedämmung, Heizen und Kühlen ... 34

III

Energiehaus/Wärmedämmung ... 34

Mehrscheibenfenster ... 37

Heizungsarten in der KEWG ... 39

Demonstrationstation Konvektionsheizkörper ... 41

Wärmepumpe ... 42

Fußbodenheizung/Deckenkühlung ... 44

Weitere Experimente zur Wärmelehre ... 46

Wärmepad ... 46

Adiabatische Kompression ... 48

Kerze und Windrad ... 50

Diffussionsexperiment ... 51

Tornadoexperiment ... 52

Anschauungsobjekte in der KEWG ... 54

Fernwärme Übergabestation ... 54

Thermoskanne ... 55

Literaturverzeichnis ... 57

Abbildungsverzeichnis ... 59

1

EINLEITUNG

In meiner Arbeit werden Schüler- und Demonstrationsexperimente zum Thema Wärmelehre beschrieben. Diese Experimente wurden in der Klima und Energiewerkstatt Graz durchgeführt. Zuerst wird das Umfeld dieses außerschulischen Lernorts beschrieben. Anschließend wird der Begriff

„außerschulischer Lernort“ und dessen Aufgaben definiert. Danach wird auf den Lehrplan Bezug genommen und dargelegt, wie der außerschulische Lernort sinnvoll von den verschiedenen Bildungsinstitutionen genutzt werden kann. Dies stellt den theoretischen Teil meiner Arbeit dar. Im praktischen Teil werden der fachliche Hintergrund und die zugehörigen Experimente beschrieben. Alle in dieser Arbeit beschriebenen Experimente wurden vor Ort aufgebaut, durchgeführt und dokumentiert. Diese Arbeit soll Lehrerinnen und Lehrern das Versuchsangebot der Klima- und Energiewerkstatt darlegen und so die Kommunikation zwischen den Kooperationspartner erleichtern.

Dazu wird mit Piktogrammen gezeigt bei welchen Experimenten die Schülerinnen und Schülern einzeln in Gruppen oder als Zuschauer agieren sollen.

UMFELD

Die Klima- und Energiewerkstatt Graz befindet sich im ersten Stock des Umspannwerks Graz West (Angererstraße 27). Dieser Ort ist mit öffentlichen Verkehrsmitteln sehr gut erreichbar. Die Bushalte- stelle „Seifenfabrik“, die von den GVB-Linien 34, 34E und 66 angefahren wird, ist fünf Gehminuten entfernt. Vom außerschulischen Lernort erreicht man den Grazer Ostbahnhof innerhalb von einer Viertelstunde zu Fuß. Dies bedeutet, dass die Klima- und Energiewerkstatt Graz sowohl für Bildungseinrichtungen, welche im Grazer Stadtgebiet angesiedelt sind, als auch für jene welche ihren Standort in den umliegenden, ländlicheren Regionen haben, kostengünstig und klimaschonend erreichbar ist. Sie bietet, wie ihr Name schon sagt Energie- und Klimaworkshops von Kindergärten über Volksschulen, Schulen der Sekundarstufe I und II bis zu Werkschulen an. Sie hat sich zum Ziel gesetzt mit Hilfe von Hands on Experimenten Wissen altersadäquat und gendergerecht zu vermitteln und zudem Interesse an Naturwissenschaften und Technik zu wecken. Dieses Projekt zeichnet sich durch viele unterschiedliche Kooperationspartner aus. Diese reichen von der Energie Steiermark bis hin zum Stadtlabor Graz. Hinzu kommt die enge Zusammenarbeit mit mehreren Bildungseinrichtungen, wie zum Beispiel der Mittelschule Ferdinadeum, der Mittelschule Dr. Renner sowie der Volksschule Schönau, Kindergärten und der Werkschule der Energie Steiermark. Ein weiterer Erfolgsfaktor ist, dass der Leiter, Dr. DI Rudolf Schwarz immer noch besseren Lösungen sucht und für neue Experimente offen ist.

2

AUßERSCHULISCHE LERNORTE

Seit dem 19. Jahrhundert ist die Schule der wichtigste Lernort für Kinder und Jugendliche. Von Anbeginn wurde jedoch darauf hingewiesen, dass die Schule sich der Lebenswelt öffnen muss (Baar und Schönknecht, S.11). Außerschulische Lernorte bieten die Möglichkeit außerhalb des traditionellen Unterrichts Wissen zu vermitteln. Die Lernorte reichen von Museen, Naturschauplätzen, wie zum Beispiel Wiesen und Wälder, bis hin zu Industriebetrieben und Forschungs- und Experimentierwerkstätten. Spätestens im Jahr 2005 wurde im zwölften Kinder- und Jugendbericht des deutschen Bundestages der traditionelle Bildungsbegriffe um informelle Bildungsprozesse erweitert.

Dies wird durch die Abbildung 1 verdeutlicht.

Abbildung 1: Erweiterung des traditionellen Bildungsbegriffs (Deutscher Bundestag 2005).

Leider wurde in dieser Graphik auf die explizite Erwähnung informeller Bildungsorte, welche außerschulische Lernorte beinhaltet, verzichtet. Laut Baar und Schönknecht sprechen für die Bedeutung der außerschulischen Lernorte bildungstheoretische und allgemeindidaktische Argumente, lern- wie sozialisationstheoretische Grundlagen und auch Forschungsergebnisse (Baar und Schönknecht 2018).

3

„Eine wichtige begriffliche Unterscheidung im Zusammenhang mit der Diskussion um außerschulische Lernorte berücksichtigt unterschiedliche Arten von Lern- und Bildungsprozessen. Formales Lernen/formale Bildung bezieht sich dabei auf das institutionalisierte, allgemeinbildende Pflichtschulsystem und die (Berufs-)Ausbildung. Sie ist verbunden mit Qualifizierung, Zertifizierung und Abschlüssen. Non-formales Lernen/non-formale Bildung bezieht sich ebenso auf Bildungseinrichtungen, unterscheidet sich aber vom formalen Lernen durch seinen Angebotscharakter, der in der Regel eine freiwillige Nutzung vorsieht“ (Baar und Schönknecht 2018, S.15). Als informelles Lernen/informelle Bildung wird ungeplantes, beiläufiges Lernen bezeichnet, das völlig unabhängig von Bildungseinrichtungen geschieht (Baar und Schönknecht 2018).

Es wurde immer wieder versucht Lernorte zu kategorisieren. Der deutsche Bildungsrat bezeichnete im Jahr 1970 die Schule, den Betrieb, die Lehrwerkstatt und das Studio als primäre Lernorte. Andere Orte, an denen auch gelernt werden kann, deren Hauptzweck jedoch nicht das Lernen ist, wurden als sekundäre Lernorte bezeichnet. Diese Einteilung wird der Vielfalt der außerschulischen Lernorte jedoch nicht gerecht. Plessow unterscheidet zwischen schulbezogenen und schulkomplementären außerschulischen Lernorten. Unter schulbezogenen außerschulischen Lernen versteht er schulisch organisiertes und verantwortetes Lernen, bei dem Lehrer*innen den Unterricht aus dem Klassenraum verlagern. Als schulkomplimentäres außerschulisches Lernen bezeichnet er jene Angebote, die von der Schule allein in dieser Form nicht bereitgestellt werden können (Karpa et al. 2015). Nach der Definition von Plessow ist die Klima- und Energiewerkstatt Graz ein schulkomplimentärer außerschulischer Lernort.

Burk, Rauterberg und Schönknecht teilen außerschulische Lernorte in zwei Grundtypen ein; nämlich in Orte mit einem Bildungsauftrag, wie zum Beispiel Theater, Museen, Bibliotheken etc. und Orten ohne Bildungsauftrag wie, zum Beispiel der Wald, die Wiese oder das Einkaufszentrum. Diese Unterscheidung ist jedoch nicht sehr treffsicher, daher wird in weiterer Folge zwischen Lernorten mit einem bereitgestellten pädagogischen Konzept und Orten ohne bereitgestelltes pädagogisches Konzept unterschieden. Wobei das Vorhandensein eines Konzepts noch nichts darüber aussagt, ob dieses auch tatsächlich genutzt wird (Karpa et al. 2015).

Prinzipiell kann gesagt werden, dass jeder Ort ein außerschulischer Lernort werden kann. Ein außerschulischer Lernort ist dadurch gekennzeichnet, dass er im Zusammenhang mit schulischem Lehren und Lernen steht, aber sich räumlich außerhalb der Schule befindet. Das Aufsuchen eines außerschulischen Lernorts ist stets eine schulische Veranstaltung, die dem Erziehungs- und Bildungsauftrag der Schule entsprechen muss.

4 Aus sozialisationstheoretischer Sicht ist der Besuch außerschulischer Lernorte sinnvoll, wenn man die Schule als Erfahrungsraum begreift (Karpa et al. 2015). Um nachhaltiges, kompetenzorientiertes Lernen zu ermöglichen, ist es notwendig an die Vorerfahrungen der Kinder und Jugendlichen anzuschließen.

Diese variieren nicht nur zwischen einzelnen Schulstandorten, sondern auch innerhalb einer Klasse sehr.

Die Sozialisationsforschung gibt einen Überblick wie unterschiedlich Kindheit am Beginn des 21.

Jahrhunderts erlebt wird. Durch das zunehmende Verkehrsaufkommen und die dichtere Verbauung wurde und wird der Bewegungsraum immer stärker eingeschränkt. Daher spricht Zinnecker von einer Verhäuslichung und Verinselung der Kindheit. Der Sportsoziologe Brinkhoff listet eine Vielzahl von Kindheiten auf. Diese reichen von Konsumkindheit, Karrierekindheit, bis hin zur gefährdeten Kindheit.

Der Erziehungswissenschaftler Jürgens vertritt die Ansicht, dass Kinder und Jugendliche zu wenig Möglichkeiten der Eigentätigkeit und Selbsterfahrung haben. Der Erziehungswissenschaftler Krüger- Potratz spricht von einer multikulturellen Kindheit, die sowohl Kinder mit und ohne Migrationshintergrund erleben (Karpa et al. 2015). Die unterschiedlichen Bedingungen unter denen Kinder und Jugendliche aufwachsen, sind vor allem durch ungleiche Chancen gekennzeichnet. Kinder und Jugendliche, deren Eltern einer sozio-ökonomischen benachteiligten Gruppe angehören besuchen seltener Musikschulen und Sportvereine und partizipieren prinzipiell weniger am kulturellen Leben. Der Besuch von außerschulischen Lernorten hat das Potential der Chancenungerechtigkeit entgegenzuwirken (ebenda S.36).

Aus bildungstheoretischer Sicht ist es notwendig die Lernaktivitäten im Klassenzimmer mit außerschulischen Lernorten zu verbinden, und aufeinander zu beziehen (Karpa et al. 2015). Daraus kann man ableiten, dass das Aufsuchen eines außerschulischen Lernorts nicht automatisch “guter Unterricht“

ist.

5 Standop und Jürgens fassten wie in Tabelle 1 ersichtlich, die Unterrichtsprinzipien, die für offenen Unterricht und Projektunterricht besonders relevant sind, zusammen. Diese Unterrichtsformen lassen sich an außerschulischen Lernorten besonders gut verwirklichen.

Tabelle 1: Zusammenfassung und Vereinfachung der Unterrichtsprinzipien.

Konstitutive Unterrichtsprinzipien Schülerinnen-/

Schüler- orientierung

Unterricht wird von den Lernenden aus, mit den Lernenden gemeinsam und auf diese bezogen geplant

Sachorientierung Sachangemessene Themenbehandlung verbunden mit einer sachgerechten Haltung auf Seiten der Lernenden

Handlungsorientierung Individuelles Lernen verläuft eigenaktiv und selbstgesteuert Grundlegende Unterrichtsprinzipien

Prinzip der Motivierung Herbeiführung, Erhaltung und Berücksichtigung der Lern- Leistungsbedürfnisse bei den Lernenden

Prinzip der

Differenzierung

Bildung homogener (oder heterogener) Gruppen

Prinzip der Ganzheit Mehrperspektivische Befassung mit Unterrichtsthemen zur Erfahrung der originären Geschlossenheit des Gegenstands

Prinzip der

Erfolgsbestätigung

Auf der Grundlage eines sachlichen Feedbacks + über den aktuellen Lernstand und der fairen Verteilung von Anerkennung und Kritik kann der weitere Lernprozess geplant und die Lernbereitschaft stabilisiert bzw.

optimiert werden Weitere Prinzipien

Selbsttätigkeit Lernende arbeiten auf der Grundlage ihrer individuellen Lern- und Handlungsmöglichkeiten an einem Sachverhalt.

Zielorientierung/- verständigung

Der unterrichtliche Ziel-Inhalts-Bezug wird an sukzessiv zu erreichenden, mit den Lernenden abgesprochenen Zielen ausgerichtet.

(Standop und Jürgens 2015)

Ein weiteres Kriterium für guten Unterricht ist die Qualität der Lernaufgaben. Gute Lernaufgaben berücksichtigen individuelle Lernausgangslagen und schließen an diese an. Sie führen Schüler*innen in die Zone der nächsten Entwicklung ohne diese zu über- oder zu unterfordern (Standop und Jürgens 2015). Da die Lernausgangslage der Schüler*innen unterschiedlich ist und der Besuch eines außerschulischen Lernorts für alle Schüler*innen einer Klasse fruchtbar sein soll, ist es nötig die Lernaufgaben am außerschulischen Lernort zu differenzieren (Klafki 2007). Außerdem ist es wichtig, dass die Aufgaben gut strukturiert sind, weil manche Schüler*innen mit zu offenen Aufgabenstellungen überfordert sein können. Als Vorbereitung für den Besuch eines außerschulischen Lernorts bietet es sich an, mit den Schüler*innen gemeinsam zu erarbeiten, welche Fragestellungen bearbeitet werden sollen (Klafki 2007).

6 Die Einbeziehung außerschulischer Lernorte bietet die Chance Kinder und Jugendliche für Naturwissenschaften und Technik zu begeistern und Wissen nachhaltig zu vermitteln. Dr. Pascal Guderian untersuchte in seiner Dissertation die Wirksamkeit von außerschulischen Lernorten. Er fand dabei heraus, dass die Wirksamkeit der Schülerlabore erst bei mehrmaligen Besuchen und beim Einsetzen des sogenannten „Hold-effect“ deutlich zunahm. Das Interesse an Physik nahm kurz nach dem Besuch des Schülerlabors zwar bereits nach dem ersten Mal zu, ging jedoch nach einigen Wochen auf das Ausgangsniveau zurück, hierbei spricht man vom sogenannten „Catch effect“. Die Einbettung in den Unterricht und die Vor- bzw. Nachbereitung des Stoffes spielen bei den Hold-Effekten eine essenzielle Rolle, denn ohne eine solche kommt der pädagogische Wert kaum zu tragen und die Schülerinnen und Schüler können die Erfahrungen und Erlebnisse potenziell nicht richtig einordnen (Guderian 2006).

Außerdem stellen Andrea Frantz-Pittner, Silvia Grabner und Ass. Prof. Gerhild Bachmann im Artikel

„Außerschulische Lernorte – relevante Akteure im Bildungssystem“ im 33. IMST-Newsletter fest, dass die Lernorte sich an Bildungspläne anpassen sollten und eine enge Kooperation zwischen schulischen und außerschulischen Bildungseinrichtungen eine Gelingensbedingung darstellt (Frantz-Pittner et al.

2010).

LEHRPLANBEZUG

Die Klima- und Energiewerkstatt bietet jedem Kooperationspartner aus dem Bildungsbereich (Kindergärten, Volksschulen, Mittelschulen, Gymnasien, Werkschulen, etc.) ideale Anknüpfungspunkte an den Lehr- beziehungsweise elementaren Bildungsrahmenplan. Das forschende Lernen soll bereits im Kindergartenalter erlernt werden, (Charlotte Bühler Institut 2009) weshalb es sinnvoll ist, eine Kooperation bereits mit diesen Bildungseinrichtungen einzugehen. In der Grundstufe I steht im Bereich Technik, das Kinder beginnen sollen Temperatur und andere Messgrößen zu messen. Sie sollen die Beschaffenheit einiger Objekte kennenlernen und lernen genau zu beobachten (BMBWF 2021c). Viele Experimente der Klima- und Energiewerkstatt können anhand dieser Gesichtspunkte untersucht werden, weshalb es auch sinnvoll ist Klassen der Grundstufe I als Kooperationspartner anzusprechen.

Der Lehrplan der Grundstufe II sieht vor, dass Schülerinnen und Schüler verschiedene Formen der Wärmeausbreitung kennen und die Fähigkeit erlernen einfache Protokolle anzufertigen. Außerdem sollen die Kinder Stoffe anhand verschiedener Eigenschaften klassifizieren können (BMBWF 2021c). Mit Hilfe des außerschulischen Lernortes können diese Themen mit einem Bezug zur Lebensrealität der Schülerinnen und Schüler vermittelt werden. Der Mittelschullehrplan und der Lehrplan der AHS- Unterstufe sind deckungsgleich. Das Thema der Diplomarbeit (Wärmelehre) ist in der siebten Schulstufe zu verorten (BMBWF 2021a, 2021b). Die anderen Themengebiete können ebenfalls in der Klima- und Energiewerkstatt erarbeitet werden. Das Hauptziel, welches im Lehrplan der Unterstufe verankert ist

7 (physikalische Denkweisen kennenlernen) ist auch ein zentrales Thema dieses außerschulischen Lernorts. In der AHS- Oberstufe sollen Kompetenzen entwickelt werden. Die Klima- und Energiewerkstatt kann vor allem in den Kompetenzbereichen E (Experimentieren und Erkenntnisgewinn) und S (Standpunkte begründen und aus naturwissenschaftlicher Sicht bewerten) eingesetzt werden (BMBWF 2021a). Die Versuche, welche in dieser Arbeit beschrieben werden und sich mit Thermodynamik beschäftigen, sind auch in der Oberstufe (in der neunten beziehungsweise zehnten Schulstufe) im Lehrplan enthalten und bieten eine gute Möglichkeit sich der Thermodynamik mithilfe von Alltagsbeispielen zu nähern.

WÄRMELEHRE

Die Wärmelehre, in weiterer Folge auch Thermodynamik genannt, ist eine bedeutende Teildisziplin der Physik. Diese Arbeit umfasst Versuche aus verschiedenen Teilgebieten der Wärmelehre. Die wichtigsten Erkenntnisse sind in den drei Hauptsätzen der Thermodynamik erfasst.

HAUPTSÄTZE DER THERMODYNAMIK

1) „Die Änderung der inneren Energie eines Systems ist gleich der Summe der von außen zugeführten Wärme und der zugeführten Arbeit. Bei einem Kreisprozess ist die Summe von zugeführter Wärme und Arbeit gleich null.“ Dies ist die Ausformulierung der mathematischen Beschreibung des ersten Hauptsatzes durch Rudolf Clausius.

Δ𝑈 = Δ𝑄 + Δ𝑊 ⁽¹⁾

Δ𝑈 Änderung der inneren Energie

Δ𝑄 Änderung der Wärmeenergie

Δ𝑊 Änderung der mechanischen Energie

Wenn ein Kreisprozess beschrieben wird, so ist die Änderung der inneren Energie 0 (Lüders und Oppen 2012).

2) Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme von selbst immer nur von wärmeren zu kälteren Körpern fließt, nie umgekehrt (Demtröder 2018). Aufgrund dieser Beobachtung kommt man zum Schluss, dass es reversible und irreversible Vorgänge gibt.

Reversible Prozesse sind jene, die sehr langsam ablaufen. Idealisierte Vorgänge der Mechanik, Elektrodynamik und Optik bei denen keine Wärme erzeugt wird (Lüders und Oppen 2012).

„Reversibilität ist eine Idealisierung, d. h. ein Grenzfall, der in der Praxis nie auftritt.“ (Lüders und Oppen 2012). Der Carnot’sche Kreisprozess besteht aus vier solchen idealisierten

8 (reversiblen) Prozessen. Der Startpunkt A hat einen gewissen Wert p1 und V1. Im ersten Schritt dieses Kreisprozesses dehnt sich das Gas isotherm aus und findet sich im Punkt B mit dem Volumen V2 und dem Druck p2 wieder. Der zweite Teilschritt ist eine adiabatische Zustandsänderung bei dem sich sowohl Temperatur, Druck und Volumen ändern, bis der Punkt C erreicht ist. Der Punkt C ist über die Temperatur T2, das Volumen V3 und den Druck p3

bestimmt. Bei diesen Schritten wird Energie in Form von Wärme frei. Im Anschluss wird das Gas wieder isotherm komprimiert, was zum Punkt D führt. Der Punkt D liegt auf einer Adiabate wie der Punkt A, weshalb durch adiabatische Kompression dieser wieder erreicht wird. Die Teilschritte 3 und 4 benötigen Energie. Der Kreisprozess ist in der Abbildung 2 zusätzlich veranschaulicht:

Abbildung 2: Carnot'scher Kreisprozess im p-V-Diagramm (Lüders und Oppen 2012, S.481)

Der isotherme Übergang zwischen A und B ist der erste Teilschritt des Carnot’schen Kreisprozesses.

Danach folgt eine adiabatische Expansion zu Punkt C. Von Punkt C nach D folgt eine isotherme Kompression und von D nach A eine adiabatische Kompression.

Der Wirkungsgrad der Carnot-Maschine ist 1. Dieser Wirkungsgrad ist in der Realität nicht erreichbar. Aus diesem Grund kann man sagen, dass der der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass ein Perpetuum mobile zweiter Art nicht möglich ist. Reversible Kreisprozesse wie der Carnot-Prozess haben am Ausgangs- bzw. Endpunkt die gleiche Entropie.

Diese beschreibt die Zustandsänderung eines Systems und hat die Einheit J/K. Die Entropie in einem geschlossenen System kann bei irreversiblen Vorgängen stets nur zunehmen. Dies folgt aus der Clausius’sche Ungleichung:

𝑆(𝐸) − 𝑆(𝐴) > 0 (2)

9 S (E) Entropie am Ende

S (A) Entropie am Anfang

Aus dieser Gleichung ergibt sich eine Richtung für irreversible Vorgänge (Lüders und Oppen 2012).

3) Der dritte Hauptsatz besagt, dass der absolute Nullpunkt nicht erreichbar ist. Dies geht aus dem Nernt’schen Theorem hervor. Der absolute Nullpunkt bildet einen Fixpunkt der Kelvinskala.

AGGREGATSZUSTÄNDE UND PHASENÜBERGÄNGE

Die Aggregatszustände fest, flüssig, gasförmig und Plasma haben in der Thermodynamik eine besondere Bedeutung, da die Temperatur beim Phasenübergang konstant ist und so genauer bestimmt werden kann. Da Phasenübergänge nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Druck abhängen, muss dieser auch erfasst werden. Aggregatszustände können auch gleichzeitig vorliegen, ein Beispiel dafür ist der Tripelpunkt von Wasser, bei dem die drei hier erwähnten Aggregatszustände gleichzeitig vorliegen.

Die Aggregatszustände zeichnen sich durch unterschiedliche Bewegungsmöglichkeiten von Atomen aus.

Feste Körper haben eine starre Struktur, die auch kristallin sein kann. Je kleiner die Abstände zwischen den Atomen sind, desto stärker sind die zwischenmolekularen Kräfte. Mit steigender Temperatur (bei konstantem Druck) nimmt die Bewegungsenergie der Teilchen zu. Wenn die Bewegungsenergie groß genug ist, können sich die Teilchen aus dem Gitter lösen. Dieser Vorgang benötigt Energie, sodass selbst wenn konstant die gleiche Wärmeenergie zugeführt wird, die Temperatur am Schmelzpunkt konstant bleibt. Die physikalische Größe, die diesen Vorgang beschreibt, ist die Entropie [J/K].

TEMPERATUR UND TEMPERATURSKALEN

Temperatur ist jene physikalische Größe, die weltweit am meisten gemessen wird. Dabei haben sich mehrere Temperaturskalen über die Jahre entwickelt und werden nach wie vor verwendet. Die bekanntesten sind die Celsius-, Fahrenheit- und Kelvinskala. Auch der Reaumurskala kommt eine besondere Bedeutung zu, da sie zu einer ähnlichen Zeit wie die Celsiusskala entstand und bis heute bei der Käseherstellung Anwendung findet und in Deutschland bei der Bierherstellung verwendet wurde.

Sie wurde am Beginn des 20. Jahrhunderts jedoch fast vollständig durch die Celsiusskala ersetzt. Weitere Temperaturskalen sind unter anderem die Newton-, Rømer-, Delisle- und Rankinskala. Die Celsius- und Fahrenheitskala werden vor allem im täglichen Leben und die Kelvinskala wird in der Wissenschaft verwendet. Die Temperatur kann über die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen definiert werden.

10 𝑇 = 1

𝑘_B∙2 3∙𝑚

2 ∙ 𝑣̅̅̅^{2 (3)}

T Temperatur [K]

kB Boltzmann-Konstante [J/K]

m Masse [kg]

𝑣²

̅̅̅ Mittlere Geschwindigkeit der Teilchen (Demtröder 2018)

Die Temperaturskalen weichen in ihren Definitionen unterschiedlich stark voneinander ab. Die Fahrenheitskala definiert als Nullpunkt den Gefrierpunkt, den Fahrenheit mit einer Kältemischung erreicht hat. 32°F entsprechen dem Gefrierpunkt von Wasser und 96°F entsprechen der Körpertemperatur eines gesunden Menschen. Die zwei letzten Fixpunkte sind nicht ausreichend reproduzierbar, weshalb sich die moderne Fahrenheitskala an die Celsiusskala angepasst hat und die Fixpunkte auf 32°F (Gefrierpunkt des Wassers) und 212°F, den Siedepunkt des Wassers, festgelegt hat (Grad_Fahrenheit 2021). Seit der Neudefinition des Kelvins ist sie über die Boltzmann-Konstante definiert. „Ein Kelvin ist damit diejenige Änderung der thermodynamischen Temperatur T, die einer Änderung der thermischen Energie kT um exakt 1,38064852∙10^–23 Joule entspricht.“ (Fischer, Fellmuth, Gaiser 2016). Davor galt folgende Definition: „1 Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser.“ (Demtröder 2018). Bei der Celsiusskala wird der Nullpunkt beim Tripelpunkt des Wassers festgelegt und der zweite Fixpunkt ist der Siedepunkt von Wasser unter Normaldruck (100 °C). Die Reaumurskala hat die gleichen Fixpunkte wie die Celsiusskala, allerdings ist der Siedepunkt von Wasser bereits bei 80 °Re. Reaumur nahm zum Messen der Temperatur ein Flüssigthermometer mit Ethanol. Dies hatte den Nachteil, dass er die Siedetemperatur von Wasser nicht genau bestimmen konnte, da Ethanol einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser besitzt. Durch die Einführung von Quecksilberthermometern konnte der Siedepunkt von Wasser verlässlich bestimmt werden.

ARTEN DER WÄRMEÜBERTRAGUNG

Ein Körper mit einer Temperatur TK tauscht mit seiner Umgebung, solange Energie aus, bis er die gleiche Temperatur TU wie seine Umgebung hat (Demtröder 2018). Dieser Energieaustausch findet über drei Arten statt: Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion.

11

WÄRMESTRAHLUNG

Wärmestrahlung ist die einzige Art der Wärmeübertragung, bei der kein Medium für die Übertragung benötigt wird. Es handelt sich um elektromagnetische Strahlung, die Wellenlänge dieser ist länger als die unser Auge wahrnehmen kann und bewegt sich zwischen 0,8-100 µm. Sie wird als Infrarotstrahlung bezeichnet (Lüders und Oppen 2012). Die Intensität der Strahlung ist abhängig von der Temperatur des Körpers, der sie abgibt, aus diesem Grund wird sie auch thermische oder Wärmestrahlung genannt. Die Wärme der Sonne gelangt ausschließlich über diese Form auf die Erde, da im Weltraum Vakuum herrscht und somit die Energie auf keinen anderen Weg abgeben werden kann. Die Wärmestrahlung wird von jedem Körper abgeben (emittiert), der über 0 Kelvin hat und da dieser absolute Nullpunkt nicht erreichbar ist, gilt dies für alle Körper. Gleichzeitig nimmt auch jeder Körper Energie aus der Umgebung auf (absorbiert diese). Das Verhältnis zwischen emittierter und absorbierter Strahlung wird über die Strahlungsbilanz beschrieben. Wieviel ein Körper abstrahlt ist nicht nur von der Temperatur des Körpers, sondern auch von dessen Oberfläche abhängig. Dies wird am Beispiel des Leslie Würfels deutlich. Die Strahlung des schwarzen Körpers wird über das Planck’sche Strahlungsformel beschrieben:

M Strahlungsdichte [W/m³] c Lichtgeschwindigkeit [m/s]

h Planck’sche Konstante [J∙s]

kB Boltzmann-Konstante [J/K]

T Temperatur [K]

 Wellenlänge [m]

WÄRMELEITUNG

Die Wärmeleitung beschreibt den Wärmeübergang in Materie ohne Stofftransport. Diese kann in allen Aggregatszuständen vorliegen. In Gasen und Flüssigkeiten kann man sich den Wärmetransport über elastische Stoße vorstellen. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für den stationären Wärmetransport. Sie ist in Gasen wesentlich schlechter als in Flüssigkeiten. Ein Beispiel für die schlechte Leitfähigkeit von Gasen stellt das Mehrscheibenexperiment dar. Jedoch haben auch Flüssigkeiten, mit Ausnahme von flüssigen Metallen, keine gute Leitfähigkeit. Unterschiedliche Substanzen leiten Wärme unterschiedlich

𝑀_=2∙ 𝑐²∙ ℎ

^{5 ∙} 1 𝑒

∙𝑘ℎ∙𝑐_B∙𝑇− 1

(4)

12 gut, was auch im Experiment zur Wärmeleitung deutlich ersichtlich ist. Die Wärmeleitfähigkeit ist außerdem vom Temperaturunterschied abhängig, das geht aus der Wärmeleitungsgleichung hervor:

𝑄

𝑡 =∙𝐴

𝑙 ∙ (𝑇₂− 𝑇₁) (5)

Q Wärme [J]

t Zeit [s]

A Querschnitt [m²]

l Länge [m]

 Wärmeleitfähigkeit [J/(m∙K∙s)]

T Temperatur [K]

KONVEKTION

Bei der Konvektion findet Wärmetransport über Materietransport statt. Diese Art der Wärmeübertragung ist somit nur in Gasen und Flüssigkeiten möglich. Sie kann frei oder erzwungen sein.

Bei der freien Konvektion steigt warme Luft aufgrund der geringen Dichte auf, während kalte Luft absinkt. Die erzwungene Konvektion tritt auf, wenn von außen eine Kraft wirkt (zum Beispiel beim Umrühren in einem Kochtopf, mit Hilfe von Umwälzpumpen oder durch Ventilatoren). Bekannte Beispiele aus der Natur wären Marineströmungen, die Warmwasser mit sich führen, wie der Golfstrom.

13

EXPERIMENTE IN DER KEWG

In diesem Teil der Arbeit werden alle Versuche zur Wärmelehre aufgeführt, die im Sommersemester 2021 in der KEWG durchgeführt werden können. Alle Versuche zu einem Thema werden untereinander aufgeführt und sofern möglich dem Versuch ein spielerischer Name gegeben. Neben den Versuchsnamen befinden sich Piktogramme. Die untenstehende Legende erklärt diese.

Legende:

Demonstrationsexperiment

Gruppenexperiment (2-4 Personen)

oder Einzelexperiment (max. 2 Personen)

Nach dem Titel ist eine ungefähre Versuchsdauer angegeben. Dies hat den Zweck, dass in Zusammenarbeit mit der Klima- und Energiewerkstatt passende Experimente zusammengestellt werden können. Außerdem beinhaltet jede Versuchsbeschreibung einen Versuchsaufbau (meist mit Bild), eine Versuchsdurchführung, wenn möglich mit Video, den physikalischen Hintergrund der Experimente und Anwendungsbeispiele. Die Links zum Video sind einerseits mit Link anderseits durch QR-Codes zugänglich. Alle Videos sind auch über den YouTube-Kanal der KEWG (Physikexperimente KEWG) abrufbar.

14

TEMPERATUR

TEMPERATURMESSUNG

Versuchsdauer: 2 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Verschiedene Thermometer mit unterschiedlichen Funktionen werden für die Temperaturmessung zur Verfügung gestellt. Die Schüler/innen sollen die Temperatur des Raumes und verschiedener Objekte mit Hilfe der Thermometer ablesen und die höchste und tiefste Temperatur, die im Raum mit Hilfe eines Thermometers gemessen wurde, feststellen. Diese sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Thermometer, von links Fleischthermometer, Flüssigkeitsaußenthermometer,

Flüssigkeitsinnenthermometer, MIN/MAX-Thermometer, Bimetallthermometer, Digitalthermometer, elektronisches Thermometer, Infrarotthermometer.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Es wird die Temperatur verschiedener Objekte und die des Raumes gemessen. Dadurch kann man feststellen, dass es nicht möglich ist, mit allen Thermometern die Aufgaben zu erfüllen. Des Weiteren ist die Genauigkeit der Thermometer ebenfalls unterschiedlich.

15

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Die Thermometer funktionieren nach unterschiedlichen Prinzipien. Flüssigkeitsthermometer (früher oft Quecksilber, mittlerweile zumeist Ethanol - hängt vom zu messenden Temperaturbereich ab) funktionieren über Volumsänderung der Flüssigkeit. Bimetallthermometer zeigen die Temperatur an, indem sich ein Metall stärker ausdehnt als das andere, dadurch biegt sich das Bimetall in eine Richtung.

Digitale Thermometer messen die Temperatur, da der Widerstand von Metallen temperaturabhängig ist. Infrarotthermometer nehmen die elektromagnetische Strahlung, welche von Objekten ausgesendet werden auf, analysieren diese und können dadurch die Temperatur bestimmen. Diese Messtechnik ist für spiegelnde Körper ungeeignet, da so nur die Umgebungstemperatur bestimmt werden kann. Das Min/Max-Thermometer ist ein Flüssigkeitsthermometer, bei dem sich zusätzlich noch Metallstifte im Gefäß befinden, diese können zwar von der Flüssigkeit verschoben werden, aber nicht von selbst wieder absinken, erst wenn man magnetisch auf sie einwirkt können sie wieder nach unten verschoben werden.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Thermometer begleiten uns im Alltag sehr häufig. Kühlschränke, Tiefkühltruhen, Heizkörper haben im Inneren Thermometer, um ihre Temperatur zu messen. Auch in Autos finden sich mehrere Temperatursensoren. Fieberthermometer und Außenthermometer sind ebenfalls aus unserem Alltag nicht wegzudenken.

16

TEMPERATURREGLER

Versuchsdauer: < 1 Minute

VERSUCHSAUFBAU

Der Versuchsaufbau ist in der Abbildung 4 gut ersichtlich. Auf einer Spannholzplatte wird ein Stromkreis aufgebaut, der zu einem Ventilator führt. Der Stromkreis ist zunächst nicht geschlossen. Ein Bimetallstreifen wird als Schalter verwendet. Unter diesen wird eine Kerze gestellt.

Abbildung 4: Temperaturregler.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Wenige Sekunden nach dem Entzünden der Kerze biegt sich der Bimetallstreifen. Der Stromkreis wird geschlossen und der Ventilator beginnt sich zu drehen. Die Kerzenflamme biegt sich in Richtung des Ventilators und nach kurzer Zeit hört er sich auf zu drehen. Dieser Vorgang ist so lange zu beobachten, bis man die Kerze ausbläst oder diese ausgebrannt ist.

https://www.youtube.com/watch?v=iCwKhBzXlbY

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Der Bimetallstreifen besteht aus zwei verschieden Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Wenn dieser erhitzt wird, dehnen sich die Metalle unterschiedlich stark aus und der Streifen biegt sich. Diese Biegung ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur ist, desto stärker biegt sich der Streifen. Der Bimetallstreifen wird durch die Kerzenflamme erhitzt und schließt den Stromkreis. Der Sog, den der Ventilator erzeugt, zieht die Kerzenflamme in die Richtung des

17 Ventilators und gleichzeitig kühlt der Luftzug den Bimetallstreifen ab. Durch die geringe Temperatur verringert sich die Biegung und der Kontakt wird wieder unterbrochen.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Bimetall wird nicht nur, wie in diesem Fall als Thermostat eingesetzt, sondern findet einen weiten Anwendungsbereich, zum Beispiel bei Transformatoren und Motoren als Überlastungsschutz. Das Bimetall biegt sich umgekehrt zu diesem Versuch ab einer gewissen Temperatur von einem Kontakt weg, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Auch in Sicherungen werden gefaltete Bimetallstreifen als Überlastungsschutz eingesetzt. In der Automobilindustrie wurden früher Bimetall- für Blinkerarrays eingesetzt, dabei war das gleiche Prinzip wie in diesem Versuch zu beobachten nur, dass anstelle eines Windrads ein Lämpchen befestigt war.

18

WÄRMEÄQUIVALENT

MECHANISCHES WÄRMEÄQUIVALENT

Versuchsdauer: < 1 Minute

VERSUCHSAUFBAU

Für diesen Versuch wird ein Gummiring, ein Metalldraht (zum Beispiel von einer Büroklammer) oder ein Metallkleiderbügel benötigt.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Der Metallkleiderbügel oder der Metalldraht wird mehrmals an derselben Stelle hintereinander geknickt, der Gummiring mehrmals auseinandergezogen. Die Temperaturerhöhung ist dabei deutlich zu spüren und kann auch anhand von Wärmebildern (siehe Abbildung 5 und 6) gezeigt werden.

https://www.youtube.com/watch?v=LPpok3fAH_U

Abbildung 5: Wärmebild Gummiring am Beginn des Versuchs.

Abbildung 6: Wärmebild Gummiring am Ende des Versuchs.

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Die Änderung der mechanischen Energie ΔW, welche dem Kleiderbügel zugeführt wird, führt dazu, dass sich der Kleiderbügel um einen Betrag ΔT erwärmt, dieser Betrag ist direkt proportional zu ΔW. Der Temperaturanstieg hängt dabei von der Masse m und der spezifischen Wärmekapazität c ab. Die Änderung der Wärmeenergie ΔQ ist in diesem Fall gleich ΔW (Demtröder 2018).

19

Δ𝑊 = Δ𝑄 = 𝑐 ∙ Δ𝑇 ∙ 𝑚

(

Δ𝑊 Änderung der mechanischen Energie [J]

Δ𝑄 Änderung der Wärmeenergie [J]

𝑐 Wärmekapazität [J/(kg∙K)]

Δ𝑇 Änderung der Temperatur [K]

𝑚 Masse [kg]

Die Temperaturänderung ist proportional zur mechanisch aufgebrachten Energie, dies bedeutet je länger man die Verformungsarbeit leistet, desto höher wird die Temperatur. Deswegen kann man sich bei der Durchführung mit dem Kleiderbügel sehr schnell die Finger verbrennen. Der Gummiring erreicht nicht diese Temperaturen, weshalb er für das Experiment besser geeignet ist. Gummi hat eine höhere spezifische Wärmekapazität als Metall, weshalb er sich nicht so schnell erhitzt.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Bei jeglicher Reibung wird mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese freiwerdende Energie kann schlecht genutzt werden. In Fabriken arbeitet man deswegen mit Wärmetauschern, um die freiwerdende Wärme nicht ganz zu verlieren. Außerdem wird aus diesem Grund darauf geachtet, dass möglichst wenig Reibung bei Maschinen erzeugt wird, um so den Energieverlust zu verringern. In der Formel 1 wird das mechanische Wärmeäquivalent genutzt, um die Reifen auf eine Zieltemperatur zu bringen (Zick-Zack-fahren, starkes Beschleunigen und Abbremsen).

20

ELEKTRISCHES WÄRMEÄQUIVALENT

Versuchsdauer: 2 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Der Versuchsaufbau besteht aus einem regelbaren Schweißtransformator, zwei Kupferkabeln, zwei Glühlampen und einem dünnen Metalldraht (Büroklammerdraht) (siehe Schaltplan Abbildung 7 und Foto Abbildung 8). Der Schweißtransformator ist notwendig, weil wenn man ansonsten einen Kurzschluss mit einem Draht erzeugen würde, dieser nicht verglühen würde, sondern davor die Sicherung des Hauses auslösen würde und der Stromfluss unterbrochen wäre.

Regeltransformator (Schweißtransformator) Lämpchen

Kurzschlussdraht

Abbildung 8: Kurzschluss-Station.

Abbildung 7: Schaltplan Kurzschluss-Station.

21

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Am Beginn des Versuches wird der Transformator eingeschaltet, wodurch die beiden Lämpchen zu leuchten beginnen. Danach wird mit Hilfe eines Drahtes einer Büroklammer ein Kurzschluss erzeugt. Die beiden Lämpchen sind erloschen, weil kein Strom mehr über sie fließt. Nach wenigen Sekunden beginnt der Draht zu glühen und

schmilzt schlussendlich. Danach fließt der Strom wieder über die Lämpchen und diese leuchten wie zu Beginn. https://youtu.be/l5rn-nhoaF0

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Anhand dieses Versuchs erkennt man sehr gut, dass elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden kann. Bei einem stromdurchflossenen Leiter lässt sich die entstehende Wärme durch die Joule’sche Wärme beschreiben.

𝑊 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ ∆𝑡 (7)

W Arbeit [J]

U Spannung [V]

I Stromstärke [A]

∆t Änderung der Zeit [s]

Da die Stromstärke und die Spannung über das Ohm’sche Gesetz vom Widerstand abhängig ist und dieser temperaturabhängig ist, kann man bei diesem Experiment nur eine ungefähre Abschätzung treffen.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Die Anwendungsbeispiele für das Kurzschlussexperiment reichen von Schmelzsicherungen, die bei einem Kurzschluss durchbrennen über Glühlampen, bei denen das Glühen des Drahtes erwünscht ist, bis hin zu Heizplatten, die auf dem Funktionsprinzip der elektrischen Wärmeäquivalenz beruhen. Bei einigen Anwendungen ist die entstehende Wärme unerwünscht, weshalb man bei einigen technischen Anwendungen Kühlvorrichtungen eingesetzt. Dies ist unter anderem bei Computerprozessoren der Fall.

Dort wird zur Kühlung entweder Wasser, Phase Change Materials oder Luftkühlung verwendet. Auch bei LED-Lampen stört die entstehende Wärme den Betrieb, deshalb befinden sich auf der Rückseite von fast allen LED-Lampen Kühlrippen.

22

GASGESETZTE

SIEDEN BEI RAUMTEMPERATUR

Versuchsdauer: < 2 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Für den Versuch benötigt man eine Spritze und Wasser.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Mit der Spritze wird Wasser bis zur 2 ml- Marke gefüllt. Danach zieht man am Kolben bis zu 5 ml auf, während man die Spritze mit einem Finger verschließt. Während des Vorgangs sieht man Bläschen aufsteigen und am Ende beschlägt die Spritze (siehe Abbildung 9). https://www.youtube.com/watch?v=wHDqAXIgz2s

Abbildung 9: Spritzenexperiment.

PHYSIKALISCHE ERKLÄRUNG

Der Siedepunkt von Wasser ist nicht nur von Temperatur, sondern auch vom vorherrschenden Druck abhängig. Wenn das Volumen vergrößert wird und die Temperatur und die Stoffmenge gleich bleibt verringert sich der Druck. Dies geht aus der Umformung der idealen Gasgleichung hervor:

23 𝑝 =𝑛 ∙ 𝑅 ∙ 𝑇

𝑉

(8) p…Druck [Pa]

V…Volumen [m³] n…Stoffmenge [mol]

R… ideale Gaskonstante [J/ (mol ∙ K)]

T…Temperatur (K)

Da es für das Wasser energetisch günstiger ist sich im ganzen verfügbaren Raum auszubreiten, verdampft das Wasser bei weit niedrigeren Temperaturen als es dies normalerweise tun würde.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Den gegenteiligen Effekt macht man sich bei Druckkochtopf zu Nutze. Dadurch, dass der Druck höher ist, können höhere Kochtemperaturen erzielt werden. Labortechnisch wird dieser Effekt ausgenützt, um organische Lösungsmittel schneller zu verdampfen, wie zum Beispiel bei Rotavaporen (Rotationsverdampfern), hierbei wird immer eine Vakuumpumpe angeschlossen. Ein weiteres Beispiel für die Nutzung diesen Effekts, ist die Gefriertrocknung. Hierbei wird neben der Temperatur auch der Druck erniedrigt und es kommt zur Sublimation (Übergang von fest zu gasförmig), mit Hilfe einer Vakuumpumpe wird der entstehende Wasserdampf abgezogen und so Probenmaterial für Analysen getrocknet.

DER NEUGIERIGE LUFTBALLON

Versuchsdauer: ca. 20 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Ein Luftballon wird auf eine leere Glasflasche gegeben (die möglichst kühl ist) und mithilfe einer Infrarotlampe erhitzt. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 10 zu sehen.

24 Abbildung 10: Neugieriger Luftballon.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Am Beginn des Versuchs hängt der Luftballon nach unten. Je länger der Versuch dauert desto mehr richtet sich der Ballon auf.

https://youtu.be/tBgoeEClASA

PHYSIKALISCHE ERKLÄRUNG

Dieser Versuch zeigt, dass bei konstanter Stoffmenge das Volumen und der Druck von der Temperatur direkt proportional abhängig ist. Dies geht auch aus der allgemeinen Gasgleichung hervor:

𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑛 ∙ 𝑅 ∙ 𝑇 ⁽⁹⁾

p…Druck [Pa]

V…Volumen [m³] n…Stoffmenge [mol]

R… ideale Gaskonstante [J/ (mol ∙ K) T…Temperatur (K)

ANWENDUNGSBEISPIEL

Dieses Phänomen ist auch bei Luftmatratzen zu beobachten wenn sie in der Sonne liegen und das Ventil verschlossen ist.

25

ARTEN DER WÄRMEÜBERTRAGUNG

WÄRMESTRAHLUNG I

Versuchsdauer: < 5 Minuten; geeignet für alle Altersklassen

VERSUCHSAUFBAU

Ein*e Schüler*in stellt sich in die Gartenhütte, bei der ein Fenster mit schwarzer Folie bedeckt ist. Ein*e zweite*r Schüler*in stellt sich hinter eine Acrylscheibe. Ein*e dritte*r Schüler*in beobachtet von außen mit Wärmebildkamera und freiem Auge. Anhand des Mischbildes (siehe Abbildung 11) ist der Versuchsaufbau veranschaulicht.

Abbildung 11: Mischbild (Infrarot & optisches Bild).

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Mit der Wärmebildkamera ist der/die Schüler/in hinter der Acrylscheibe nicht erkennbar, mit freiem Auge jedoch schon. Hinter dem Fenster mit der schwarzen Folie ist genau das Gegenteil der Fall. Dies zeigen die Abbildungen 12 und 13.

26 Abbildung 12: Infrarotbild. Abbildung 13: Optisches Bild.

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Jeder Körper, der eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat, gibt Strahlung einer gewissen Wellenlänge ab. Die Acrylscheibe transmittiert keine Wärmestrahlung, die schwarze Folie jedoch schon und daher ist die Person hinter der schwarzen Folie mit der Wärmebildkamera sichtbar.

WÄRMESTRAHLUNG II

Versuchsdauer: 5-10 Minuten, geeignet für alle Altersklassen

VERSUCHSAUFBAU

Ein/e Schüler/in legt sich auf den Boden und wird zunächst, ohne in eine Folie eingewickelt zu sein mit Hilfe einer Wärmebildkamera fotografiert. Im Anschluss wird er nacheinander in eine schwarze Folie und im Anschluss in eine Rettungsdecke (einmal mit der goldenen und einmal mit der silbernen Seite nach innen) eingewickelt und jeweils mit Hilfe einer Wärmebildkamera fotografiert, wie in Abbildung 14 zu sehen.

27 Abbildung 14: Von links Schüler/in ohne Folie, in schwarzer Folie, in Rettungsdecke mit der goldenen Seite nach innen und mit der silbernen Seite nach innen.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Die schwarze Folie schirmt keine Wärmestrahlung ab. Wenn der/die Beobachtete mit der silbernen Seite nach innen eingewickelt ist, so beobachtet man die geringste Wärmestrahlung. Wenn die silberne Seite zu sehen ist, erkennt man, dass die goldene Seite zwar weniger Wärmestrahlung transmittiert als die schwarze Folie, aber deutlich mehr als die Aluminiumseite. Dies ist auch anhand der Abbildung 15 gut zu sehen.

28 Abbildung 15: Wärmebild von links Schüler/in ohne Folie, in schwarzer Folie, in Rettungsdecke mit goldenen Seite nach innen und mit der silbernen Seite nach innen.

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Die schwarze Folie transmittiert die Wärmestrahlung, weshalb das Wärmebild mit und ohne Folie sehr ähnlich ist. Die silberne Seite der Rettungsdecke, welche Aluminium beschichtet ist, reflektiert die gesamte Wärmestrahlung, weshalb am IR-Bild weniger zu erkennen ist. Die goldene Seite reflektiert einen großen Anteil der Wärmestrahlung, jedoch nicht alles.

WÄRMESTRAHLUNG III

Versuchsdauer: < 2 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Für diesen Versuch benötigt man einen Kegel aus schwarzer Pappe und einen Kegel (siehe Abbildung 16 und 17), den man mit Aluminium auskleidet, in weiterer Folge Fingerheizung genannt. Außerdem benötigt man eine Wärmelampe oder eine Glühlampe.

29 Abbildung 16: Fingerheizung (Außenansicht). Abbildung 17: Fingerheizung (Innenansicht).

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Bei der Versuchsdurchführung steckt man die verschiedenen Schirme nacheinander auf seinen Zeigefinger und hält diese unter die Glühlampe. Dabei merkt man, wenn man den metallbeschichteten

„Papphut“ am Finger hat, dieser deutlich schneller warm wird als der schwarze „Papphut“.

PHYSIKALISCHE ERKLÄRUNG

Der metallbeschichte „Papphut“ reflektiert die Wärmestrahlung in Richtung des Fingers, wohingegen der schwarze die Strahlung absorbiert. Wenn man am Ende des Versuchs die beiden Fingerheizungen angreift, würde sich die schwarze Heizung wärmer anfühlen als die metallbeschichtete, da die schwarze Fingerheizung einen Teil der Wärmestrahlung absorbiert.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Ein Anwendungsbeispiel dieses Prinzips ist die Rettungsdecke. Anhand dieses Versuches wird deutlich, dass eine schwarze Folie die Wärmestrahlung nicht reflektiert und die verletzte Person auskühlt. Bei einer reflektierenden Folie wird die Wärmestrahlung reflektiert und dadurch eine Unterkühlung verhindert. Verspiegelte Fenster sind ein weiteres Beispiel für eine Anwendung, bei der man sich dieses Prinzip zu Nutze macht. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sind metallbeschichte Decken, die man vor der Windschutzscheibe befestigt, damit sich Autos in den Sommermonaten nicht aufheizen.

30

WÄRMELEITUNG (HÄNDE)

Versuchsdauer: 2 - 5 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Verschiedene Materialien werden zum Angreifen präsentiert, hinter jedem dieser Materialien ist ein Thermometer montiert. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 18 und 19 gut zu sehen.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Man legt seine Hände auf die unterschiedlichen Materialien und spürt, dass sich manche wärmer anfühlen als andere, jedoch das Thermometer bei allen die gleiche Temperatur anzeigt. Dass alle Materialien die gleiche Temperatur haben, kann man auch anhand des Wärmebilds (Abbildung 20) gut erkennen. Die höhere Temperatur bei Glas ist dadurch gegeben, da das Glas die Wärmestrahlung teilweise reflektiert und dadurch beim Bild mit der Wärmebildkamera wärmer wirkt. Die Reflexion ist auch in den Abbildung 20 gut ersichtlich.

Abbildung 20: Wärmebild Hände.

Abbildung 18: Versuchsaufbau Hände.

Abbildung 19: Detailansicht Versuchsaufbau Hände.

31

PHYSIKALISCHE ERKLÄRUNG

Die unterschiedlichen Materialien leiten Wärme unterschiedlich gut. Je besser sie Wärme leiten, desto kälter fühlen sie sich bei Raumtemperatur an. Kork und Holz fühlen sich wesentlich wärmer an als Glas und Metall.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Aufgrund der unterschiedlichen Leitfähigkeiten werden die Materialien unterschiedlich eingesetzt.

Töpfe sind aufgrund der guten Leitfähigkeit aus Metall. Bei Fußböden setzt man jedoch auf schlechte Wärmeleitfähigkeit, da sich so der Boden wärmer anfühlt als Böden mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit. Dies erklärt auch, warum sich Fliesenböden kälter anfühlen als Kork, Laminat oder Holzböden.

32

KONVEKTIONSEXPERIMENT

Versuchsdauer: < 5 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

In ein großes Glas, welches mit kaltem Wasser gefüllt ist, wird ein kleines Gefäß mit gefärbtem warmem Wasser gestellt (siehe Abbildung 21). Für die Färbung des Wassers kann man Tinte verwenden.

Abbildung 21: Unterwasservulkan.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Nachdem man das kleinere Glas mit dem warmen Wasser in das kalte Wasser gestellt hat, sieht man das warme Wasser aufsteigen. Das gefärbte Wasser steigt an die Wasseroberfläche und mit der Zeit sinkt die gefärbte Flüssigkeit nach unten. Dieses Schauspiel erinnert an einen Vulkanausbruch.

https://www.youtube.com/watch?v=mxannXGIGKI

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Warmes Wasser hat eine niedrigere Dichte als kaltes Wasser, daher steigt das warme Wasser nach oben und sammelt sich an der Oberfläche.

33

ANWENDUNGSBEISPIEL

Früher machte man sich dieses Phänomen bei der Schwerkraftheizung zu Nutze. Bei der Schwerkraftheizung wird Wasser beim Kessel erhitzt und steigt nach oben. Es findet ein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, das kühlere Wasser sinkt nach unten und wird vom Kessel wieder erhitzt (siehe Abbildung 22: Schematische Abbildung Schwerkraftheizung).

Abbildung 22: Schematische Abbildung Schwerkraftheizung.

34

WÄRMEDÄMMUNG, HEIZEN UND KÜHLEN

ENERGIEHAUS/WÄRMEDÄMMUNG

Versuchsdauer: 35 Minuten, jeweils (bei niedrigerer Zieltemperatur kürzer)

VERSUCHSAUFBAU

Der Versuch besteht aus einem Modellhaus, bei dem sich im Inneren zwei Glühlampen befinden, die zum Aufheizen des Hauses dienen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit das Haus mit Hilfe von Styroporeinlagen zu dämmen. Im Inneren des Hauses befinden sich Temperatursensoren, die von außen minütlich abgelesen werden können. Über ein Interface kann man einstellen, dass das Haus auf eine Zieltemperatur heizt und danach die Abkühlkurve weiter aufzeichnet. Das Modellhaus ist in den Abbildungen 23, 24 und 25 zu sehen.

Abbildung 23: Energiehaus außen.

Abbildung 24: Energiehaus ohne Isolierung. Abbildung 25: Energiehaus mit Isolierung.

35

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Der Versuch wurde exemplarisch mit Aufheizen auf eine Zieltemperatur (30 °C) durchgeführt und im Anschluss die Abkühlphase beobachtet. Dabei konnte man erkennen, dass ein gedämmtes Haus deutlich schneller aufgeheizt ist und die Temperatur nach Abschalten der Lampe noch ansteigt (Restwärme der Lampe) und deutlich langsamer abkühlt als dies bei einem ungedämmten Haus der Fall ist. Dies lässt sich auch anhand der untenstehenden Graphen (Diagramm 1 und 2) veranschaulichen.

Diagramm 1: Energiehaus gedämmt.

Diagramm 2: Energiehaus ungedämmt.

20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0 34,0

0 5 10 15 20 25 30 35

Temperatur [°C]

Zeit [min]

Energiehaus gedämmt

Temperatur Sensor oben Temperatur Sensor mitte Temperatur Sensor unten

20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0

0 5 10 15 20 25 30 35

Temperatur [°C]

Zeit[min]

Energiehaus ungedämmt

Temperatur Sensor oben Temperatur Sensor mitte Temperatur Sensor unten

36

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Die Wärmedämmung mit Hilfe von Styropor sorgt dafür, dass weniger Luft nach außen dringt. Styropor ist außerdem ein sehr schlechter Wärmeleiter, weshalb die Wärmeenergie kaum nach außen gelangt.

Aus diesem Grund findet ein geringerer Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, weshalb das gedämmte Haus auch langsamer abkühlt als das ungedämmte.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Bei jedem Gebäude spielt Wärmedämmung eine wichtige Rolle um Heizkosten und Energie einzusparen.

Ob Kältebrücken nach außen bestehen und die Dämmung verbessert werden sollte oder nicht, wird mit Hilfe von Wärmestrahlung analysiert. Dies geschieht kurz vor Sonnenaufgang, wenn der Temperaturunterschied zwischen Gebäudetemperatur und Außentemperatur am größten ist.

Ansonsten könnte die Wärmestrahlung der Sonne die Messung beeinflussen.

37

MEHRSCHEIBENFENSTER

Versuchsdauer: 5 - 10 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Drei Marmeladegläser werden zur Hälfte mit heißem Wasser gefüllt. Auf die Marmeladegläser werden, wie in der Abbildung 26 ersichtlich eine, zwei bzw. drei Glasscheibe(n) gelegt. Zwischen die Glasscheiben werden Beilagscheiben gelegt. Auf die oberste Glasscheibe wird jeweils ein wenig Kokosfett gegeben und beobachtet.

Abbildung 26: Mehrscheibenfenster Versuchsaufbau.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Man erkennt sehr gut, dass als Erstes das Kokosfett über dem Marmeladeglas mit einer Glasscheibe schmilzt. Nach wenigen Minuten schmilzt auch das Kokosfett mit zwei Glasscheiben. Das Kokosfett über dem dritten Marmeladeglas schmilzt während der Versuchsdurchführung nicht. Anhand der Abbildung 27 sieht man, dass die Beobachtungen mit der Wärmebild sehr gut übereinstimmen.

https://www.youtube.com/watch?v=JFm_SDESwRk

38 Abbildung 27: Wärmebild Mehrscheibenfenster Versuch.

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Die Luft im Glas wird vom heißen Wasser erhitzt, steigt auf und erwärmt die Glasscheibe. Glas ist ein besserer Wärmeleiter als Luft, weshalb das Kokosfett (beim ersten Marmeladeglas) schnell schmilzt.

Luft ist ein sehr schlechter Wärmeleiter, weshalb die Wärmeausbreitung zwischen den Gläsern über Konvektion funktioniert. Diese Form der Wärmeübertragung ist nicht sehr effizient. Bei drei Glasscheiben ist aus diesem Grund auch keine Veränderung mehr beobachtbar.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Mehrscheibenfenster können also als Wärmeschutzfenster eingesetzt werden. Zwischen den beiden Gläsern befindet sich ein Edelgas (meist Argon oder Krypton) oder Vakuum, um die Wärmeübertragung zu vermindern. Bei Wärmeschutzfenstern ist oft auch eine dünne Metallschicht aufgedampft, um die Wärmestrahlung zu reflektieren. Wenn es ein Vakuum zwischen den beiden Gläsern gibt und eine Metallschicht aufgedampft ist, kann kein Wärmetransfer stattfinden, da dieser immer nur über Materie (Konvektion und Wärmeleitung) oder Wärmestrahlung geschehen kann.

39

HEIZUNGSARTEN IN DER KEWG

Versuchsdauer: 5 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Verschiedene Heizkörper mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien werden mit Hilfe einer Wärmebildkamera untersucht. Die zu untersuchende Heizköperarten sind: Infrarotheizung, die Infrarotheizung (Strahlung) und Direkt-Heizungen (Konvektion) (siehe Abbildung 28 und 29).

Abbildung 29: Infrarotheizkörper.

Abbildung 28: Heizstrahler.

40

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Anhand der Fotos der Wärmebildkamera werden die Unterschiede zwischen den Heizungen gut ersichtlich (Abbildung 30 und 31).

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Bei Infrarotheizkörpern bleibt der Heizkörper selbst kühler (erreicht Temperaturen bis 80°C) und sendet ausschließlich Infrarotstrahlen aus und erhitzt somit den Raum. Dabei entsteht wenig Luftzirkulation.

Die Raumtemperatur kann niedriger sein als beim Konvektionsheizkörper, da die Strahlungswärme den Raum wärmer erscheinen lässt.

Die Direktheizung funktioniert über Konvektion, Heizdrähte im Inneren werden heiß über 100°C und geben Wärme an die Luft ab. Im Inneren der Direktheizung ist meistens auch ein Gebläse verbaut, um die Konvektion zu beschleunigen, somit wird der Raum schneller warm.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Heizungen begleiten uns in unserem Alltag überall. In de facto jedem Raum unserer Wohnungen und Häuser befinden sich Heizkörper.

Abbildung 31: Wärmebild Infrarotheizkörper.

Abbildung 30: Wärmebild Heizstrahler.

41

DEMONSTRATIONSTATION KONVEKTIONSHEIZKÖRPER

Versuchsdauer: < 2 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Eine punktförmige Lichtquelle strahlt ein schmales Aquarium an, welches mit Wasser gefüllt ist und durch das ein Heizdraht führt. An der Wand dahinter wird eine schematische Zeichnung eines Konvektionsheizkörpers angebracht. Der Heizdraht ist mit einem Kippschalter verbunden, der gedrückt gehalten werden muss, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 32 zu sehen.

Abbildung 32: Demonstration Konvektionsheizkörper.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Zunächst wird die Lampe eingeschaltet. Danach wird mithilfe des Kippschalters der Stromkreis geschlossen und man sieht anhand des Schattens, dass warmes Wasser aufsteigt.

https://www.youtube.com/watch?v=F90sR9WEctg

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Der Heizdraht erwärmt sich bei Stromdurchgang und gibt die Wärme an seine Umgebung ab. Warmes Wasser hat eine geringere Dichte als kaltes, weshalb es aufsteigt. Die punktförmige Lichtquelle sorgt dafür, dass man Bewegung des Wassers, die man mit freiem Auge nicht erkennen würde, als Schatten auf der Wand sichtbar macht und so das Funktionsprinzip eines Konvektionsheizkörpers sichtbar wird.

42

WÄRMEPUMPE

VERSUCHSAUFBAU

Die Wärmepumpe ist mit dem Energy-Lab verbunden und kann dieses kühlen oder heizen. Diese ist in Abbildung 33 und 34 zu sehen.

Abbildung 33: Wärmepumpe frontal.

Abbildung 34: Wärmepumpe Seitenansicht.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Je nachdem ob die Pumpe heizt oder kühlt, wird warme oder kalte Luft nach außen geblasen. Dies wird mit Hilfe einer Wärmebildkamera beobachtet (siehe Abbildung 35 und 36).

Abbildung 35: Wärmepumpe beim Kühlen. Abbildung 36: Wärmepumpe beim Heizen.

43

PHYSIKALISCHE ERKLÄRUNG

Die Wärmepumpe verschiebt mithilfe von Energie Wärmemengen von außen in das Innere der Hütte oder umgekehrt, je nachdem ob geheizt oder gekühlt wird. Dies geschieht über Phasenübergange im Inneren des Geräts. Dabei wird heißes Gas (manchmal Propangas) verdichtet (mit Hilfe eines Kompressors) und überträgt die Wärme an das Heizwasser. Dabei kühlt es ab und wird flüssig. Das flüssige Gas wird im Anschluss durch ein Expansionsventil geleitet, dadurch wird das Kühlmittelgas wieder gasförmig und kühlt die Umgebung um genau den Betrag ab, um den sich das Innere erwärmt.

Dieser Prozess kann auch umgekehrt werden, sodass die Wärmepumpe dem Haus Energie entzieht und nach außen abgibt. Einen exemplarischen Schaltplan für die Wärmepumpe sieht man in der Abbildung 37:

Abbildung 37: Schaltplan Wärmepumpe (Sperlich 2002).

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird über die COP-Funktion angegeben:

𝐶𝑂𝑃 − 𝑊𝑒𝑟𝑡 = 𝑄 𝑊

(10) Q…abgegebene Wärmemenge [J]

W… eingesetzte Stromenergie [J]

Die Effizienz der Wärmepumpe in der KEWG wurde mithilfe des COP-Werts bestimmt, wobei für den Stromverbrauch 0,04 kWh und für die Wärmemenge ein Wert von 0,162 kWh gemessen wurden. Der COP-Wert beträgt somit ca. 4. Dieser stimmt mit dem, im Internet recherchierten Wert für Luft- /Wasserwärmepumpen gut überein der besagt, dass Luft-/Wasserwärmepumpen die einen COP-Wert zwischen 3-5 haben, effizient sind (Wegatech 2021).

44

ANWENDUNGSBEISPIEL

Die Wärmepumpe ist das Anwendungsbeispiel wie mit Hilfe von Phasenübergängen Wärmemengen übertragen werden können. Diese verwendet dabei die Umkehrung des Wärmekraftprozesses.

Wärmepumpen werden oft benutzt, um Fußbodenheizungen effizient zu betreiben, so wie das auch in der KEWG der Fall ist.

FUßBODENHEIZUNG/DECKENKÜHLUNG

Versuchsdauer: < 5 min

VERSUCHSAUFBAU

Im Energy-Lab sind eine Fußbodenheizung und eine Kühlanlage eingebaut. Die Wärmepumpe wird eingeschaltet und es werden mit der Wärmebildkamera Fotos gemacht. Das Energy-Lab ist in Abbildung 38 zu sehen.

Abbildung 38: Energy Lab.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Die Wärmepumpe wird einmal zum Kühlen und das andere Mal zum Heizen verwendet. Anhand der Wärmebilder erkennt man, dass beim Kühlen kaltes Wasser durch die Rohre gepumpt wird und beim Heizen heißes Wasser. Die Schüler*innen können die Veränderung auch ohne Wärmebildkamera durch das Betreten des Energy-Labs feststellen. Die Wärmebilder in Abbildung 39 und 40 zeigen die Heizung und Kühlung des Hauses.

45

PHYSIKALISCHE ERKLÄRUNG

Mit Hilfe der Wärmepumpe wird kaltes bzw. warmes Wasser in die Hütte gepumpt. Die Rohre sind wie aus den Wärmebildern gut ersichtlich in Schlangenlinien angeordnet. Die Wärmeübertragung findet hauptsächlich über Konvektion und Wärmeleitung statt.

ANWENDUNGSBEISPIEL

Fußbodenheizungen werden in Kombination mit Deckenkühlung oft bei neuen Häusern verbaut. Auch wenn die Flächenheizung länger benötigt, um den Raum zu erwärmen, so sorgt diese für eine gleichmäßige Raumtemperatur. Fußbodenheizungen werden vor allem bei Räumen mit Fließen oder Materialien, die sich bei Raumtemperatur eher kühl anfühlen verwendet und sind daher oft in Badezimmern zu finden.

Abbildung 39: Fußbodenheizung. Abbildung 40: Fußboden-& Deckenkühlung.

46

WEITERE EXPERIMENTE ZUR WÄRMELEHRE

WÄRMEPAD

Versuchsdauer: 2 - 5 Minuten

VERSUCHSAUFBAU

Man benötigt bei diesem Versuch ein Wärmepad, bei dem der Inhalt noch flüssig ist (siehe Abbildung 41).

Abbildung 41: Wärmepad links vor und rechts nach dem Knicken.

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND BEOBACHTUNG

Bei einem Wärmepad wird das Metallplättchen geknickt. Vom Blättchen ausgehend kristallisiert die Flüssigkeit, meistens ist diese Natriumacetat (es erstarrt). Außerdem wird das Wärmepad warm, dies ist auch mit einer Wärmebildkamera gut ersichtlich.

https://www.youtube.com/watch?v=Rt-gx8pq5Co

PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Bei einem Wärmepad handelt es sich um einen Latentwärmespeicher. Im Inneren des Pads befindet sich ein Phasenübergangsmaterial (Phase change material PCM). Beim Phasenübergang wird ein großer Teil der Wärme aufgenommen oder abgegeben. Dieser Vorgang ist als latente Wärme vom Schmelzen oder Verdampfen bekannt und wird als Energiespeicher benutzt. Ein wichtiger Faktor bei Wärmepads als Latentwärmespeicher ist, dass das PCM unterkühlt ist. Das bedeutet, dass der Stoff auch unterhalb der Schmelztemperatur noch immer flüssig ist. Der Phasenübergang wird durch das Knicken des Plättchens eingeleitet, dabei entstehen Impfkristalle von denen ausgehend die Flüssigkeit erstarrt. Bei

47 diesem Vorgang wird die latente Wärmeenergie frei und der Stoff nimmt in etwa die Schmelzpunkt Temperatur (ca. 50°C) an (Cabeza 2015).

ANWENDUNGSBEISPIEL

Der Einsatz von Latentwärmespeicher ist vielfältig. Die Anwendungsmöglichkeit als Kühlung für Prozessoren wurde bereits bei der Kurzschluss-Station angesprochen. PCMs verbessern dabei die Effektivität beim Kühlen. Diese werden mithilfe von Kühlrippen wieder regeneriert. In moderner Skibekleidung werden teilweise bereits diese Materialen eingesetzt, um einerseits den Körper bei Hitze Wärme zu entziehen und ihn so zu kühlen (zum Beispiel bei der aktiven Bewegung), anderseits wird die gespeicherte Energie zum Erwärmen des Körpers in Ruhephasen abgegeben (zum Beispiel beim Anstehen beim Lift). In Autos werden Latentwärmespeicher eingesetzt, um ein schnelleres Abtauen von Scheiben in Wintermonaten zu gewährleisten. Diese werden benutzt um anfallende Wärme, zum Beispiel bei der Müllverbrennung, zu speichern und zum Heizen anderorts einzusetzen, wie bei einem Modellversuch 2013 in Deutschland (Schmidt 2013). Eine weitere Art wie PCMs eingesetzt werden ist bei Lieferdiensten und Caterings. Diese verwenden PCMs, um Speisen warm zu halten oder sie schnell zu erhitzen. Auch werden solche Materialen bei manchen Herstellern zum Erhitzen von Fertigspeisen genutzt. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist als Energiespeicher bei Solaranlagen. Im Bauwesen werden Phase Change Materialen verwendet, um auch in der Leichtbauweise ein konstantes Raumklima zu schaffen. Ein deutscher Autohersteller verwendet auch Latentwärmespeicher, um bei einem Kaltstart kürzere Aufheizraten zu erzielen. Ein Teil der Energie steht auch den Insassen zur Verfügung, weshalb es im Innenraum ebenfalls schneller warm wird.