Kerstin Neumann
Downloadauszug aus dem Originaltitel:
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Wärmelehre:
Wärmeübertragung
Physik selbst entdecken
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Wärmeleitung
Ü1
Material:
Topf mit heißem Wasser, Körper aus verschiedenen
Materialien, Stoppuhr 1. Untersucht die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe.
Taucht dazu annähernd gleich dicke Gegenstände gleichzeitig in heißes (aber nicht kochendes!) Wasser.
Schließt das Wassergefäß mit einem Pappdeckel, in den ihr vorher einen Schlitz für die Gegenstände schnei det. (So verhindert ihr, dass der Wasserdampf und die Wärmeströmung das Ergebnis beein
flussen.)
Messt und notiert jeweils die Zeit, bis ihr eine Erwärmung spürt. Beachtet, dass ihr die Gegenstände in gleichem Abstand von der Wärmequelle berührt, also beispielsweise unmittelbar über dem Deckel.
2. Ordne die Stoffe an einem Pfeil an. Markiere gute Wärmeleiter ROT und schlechte Wärmeleiter GRÜN.
Wärmeleitung
Wärme wird von Körper zu Körper (z. B. von Ofenkachel zu Mensch) oder innerhalb eines Körpers (z. B. innerhalb der Ofenkacheln) übertragen.
Verschiedene Materialien leiten die Wärme unterschiedlich gut.
Luft Messing
SCHLECHT Wärmeleitfähigkeit GUT
Holz Stahl Aluminium Messing Glas Silber Zinn Kunststoff
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-Verlag
Die Flügel einer Weihnachtspyramide werden durch Wärmeströmung bewegt. Die Kerzen erwärmen die Luft, diese steigt auf und trifft auf die Flügel, die sich dadurch in Bewegung setzen.
Der gleiche Effekt ist bei einer Spirale zu beobachten und soll von dir aus
probiert werden.
1. Spirale bauen
Zeichne auf einem Stück Alufolie einen Kreis mit 8 cm Radius und in diesen Kreis eine Spirale.
Schneide die Spirale aus.
Bringe am Kreismittelpunkt mit einer Nadel einen Faden an und knote ihn zu einer
Schlaufe.
2. Spirale testen
Halte die Spirale am Faden ruhig über eine Kerze und beobachte die Drehung. Probiere, wann sich die Spirale am schnellsten dreht und wovon die Drehrichtung abhängt.
Pass auf, dass das Ende der AluSpirale nicht zu dicht an die Flamme kommt!
Wärmeströmung (Konvektion)
Wärme wird durch strömende Flüssigkeiten oder Gase übertragen (z.B. warme Luft über dem Ofen strömt nach oben – es entsteht ein Kreislauf).
Wärmeübertragung
Wärmeströmung
Ü2
Material:
Alufolie, Kerze
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Wärmestrahlung
Ü3
Simuliert diese Situation.
Verwendet eine Rotlichtlampe als Sonne und Streichholzschachteln als Zelte.
1. Präpariert eine Schachtel so, dass die Temperatur darin möglichst hoch wird. In der anderen Schachtel soll die Temperatur möglichst wenig ansteigen. Steckt jeweils ein Thermometer durch ein möglichst kleines Loch.
2. Bestrahlt beide Schachteln gleichzeitig und im gleichen Abstand 1 Minute lang und messt währenddessen die Innen
temperatur der Schachteln.
3. Gebt die jeweilige Temperaturerhöhung an und formuliert eine Erkenntnis.
Wärmestrahlung
Wärmere Körper strahlen allseitig Wärme an ihre kältere Umgebung ab (z. B. strahlt der Ofen Wärme in alle Richtungen aus).
Dunkle Oberflächen absorbieren die Wärmestrahlung, helle reflektieren sie.
In Magdalenas Zelt ist es nicht so heiß.
30 °C im Schatten
In Oskars Zelt ist es superheiß.
Material:
Rotlichtlampe, 2 Streichholz
schachteln, 2 Thermometer, z. B. Alufolie und schwarzer Stoff
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Wettbewerbsaufgabe:
Jeder Schüler eurer Gruppe soll 250 ml heißes Wasser (etwa 80 °C) in einem Becherglas 5 Minuten lang so warm wie möglich halten. Wie und mit welchen Materialien dies geschieht, ist jedem selbst über
las sen (z. B. Styropor, Alufolie, Wolle). Der Kasten unten hilft euch.
1. Überlege dir eine „Warmhaltemöglichkeit“ und besorge die entsprechenden Materialien.
2. Erhitzt Wasser in einem Wasserkocher bis kurz unter die Siedetemperatur (wenn es an
fängt zu dampfen, aber noch nicht sprudelt) und gebt gleichzeitig jeder 250 ml Wasser in die eigene Versuchsanordnung.
3. Messt maximal 20 Minuten lang jeweils alle 2 Minuten die Temperatur.
Bestimmt am Schluss den Sieger.
4. Gebt einen Tipp, wie man Tee möglichst lange warm halten könnte.
Die Thermoskanne
In einer Thermoskanne werden die drei Arten der Wärmeübertragung ge
dämmt:
Die Wärmeleitung wird durch das Vakuum im Glasgefäß behindert.
Die Wärmeströmung wird durch den Stopfen unterbrochen.
Die Wärmestrahlung wird an der verspiegelten Fläche reflektiert.
Wärmeübertragung
Wärmedämmung
Ü4
Material:
Thermometer, 3 gleiche Becher
gläser, viele verschiedene Materialien zum Dämmen
Stopfen aus Kork, Gummi oder Kunststoff
Schutzhülle aus Metall oder Kunststoff
Doppelwandiges Glasgefäß innen und außen mit Spiegelschicht überzogen,
innen luftleer (Vakuum)
Hoffentlich ist der Tee noch warm!
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Wärmequellen
Ü5
1. Wärmequelle – ja oder nein?
Beispiel: Eine Katze sitzt im Schnee und gibt an ihre Umgebung Wärme ab. Sie ist eine natürliche Wärmequelle.
a) Ordnet die Karten „Wärmequellen“.
Sie enthalten:
4 x natürliche Wärmequellen, 4 x künstliche Wärmequellen, 4 x keine Wärmequellen.
b) Notiere aus den Karten:
– die größte natürliche Wärmequelle, – die künstliche Wärmequelle, deren Wärme
abgabe eigentlich nicht erwünscht ist.
Finde jeweils ein weiteres Beispiel für eine natürliche und eine künstliche Wärmequelle.
2. Ein Stein als Wärmequelle
Ein heißer Stein wird in kaltes Wasser gelegt und gibt an das Wasser solange Wärme ab, bis die Temperaturen ausgeglichen sind. Dabei wird die Wärmeenergie des Wassers höher und die des Steines geringer.
a) Legt den Stein in einen Alutopf und gebt so viel kaltes Wasser dazu, dass der Stein vollständig bedeckt ist.
b) Bestimmt die Wassertemperatur.
c) Erhitzt den Stein 2 Minuten über der Flamme eines Bunsenbrenners.
d) Gebt diesen Stein dann in das kalte Wasser und bestimmt, wie lange es dauert, bis die Tempe
raturen ausgeglichen sind, und auf welche Temperatur sich das Wasser erwärmt hat.
Wärmequellen
Alle Körper, deren Temperatur höher als die Umgebungstemperatur ist, sind Wärmequellen.
Diese Körper geben an die kältere Umgebung Wärme ab.
Man unterscheidet natürliche und künstliche Wärmequellen. Natürliche Wärmequellen sind z. B. die Sonne, ein Feuer oder heiße Lava. Künstliche Wärmequellen sind vom Menschen geschaffene Wärmequellen, z. B. ein Heißlüfter, eine Streichholzflamme oder ein Bügeleisen.
Material:
Karten Wärmequellen, Stein, Alutopf, Brenner,
Thermometer, Zange
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Karten – Wärmequellen
heiße Herdplatte Mensch in Winterluft Mensch in der Sauna
Glühlampe
Ostsee bei –3 °C
Lufttemperatur Thermoskanne
geheizter Ofen
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Sonne MützeHAU
1. Anstelle der Gegenstände können auch entsprechende „Krampen“ (gebogene Elemente/Klam
mern aus verschiedenen Materialien) verwendet werden, dann ist ein Deckel nicht erforderlich.
2.
Karte Ü2 Wärmeübertragung – Wärmeströmung
2. Die Spirale dreht sich in Richtung der unteren Öffnung. Die Geschwindigkeit ist unter anderem abhängig von der Größe der Angriffsfläche. Eine Spirale mit breiteren Streifen dreht sich somit schneller. Auch ist die Geschwindigkeit größer, wenn sich die Spirale nicht mittig über der Ker
zenflamme befindet, sondern etwas versetzt ist.
Karte Ü3 Wärmeübertragung – Wärmestrahlung
1. Für ein korrektes Ergebnis ist darauf zu achten, dass das Loch möglichst klein ist, durch das jeweils der Messfühler des Thermometers in die Streichholzschachtel gesteckt wird.
3. Wird die Streichholzschachtel in Alufolie gewickelt, dann wird die Wärmestrahlung reflektiert, die Temperatur steigt weniger an (um ca. 25 K).
Wird die Streichholzschachtel in schwarzen Stoff gewickelt, dann wird die Wärmestrahlung absorbiert, die Temperatur steigt stärker an (um ca. 35 K).
Karte Ü4 Wärmeübertragung – Wärmedämmung
1. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Wärmeübertragung einzudämmen, z. B.:
• Verwendung eines Deckels;
• Becherglas in ein größeres Gefäß geben und dämmende Stoffe (z. B. Styropor, Wolle) in den Zwischenraum geben;
• Becherglas mit Alufolie umhüllen.
Je mehr Möglichkeiten man kombiniert, desto größer ist die Wärmedämmung.
Luft Holz Kunststoff Glas Stahl Blei Messing Aluminium Kupfer
Schlechte Wärmeleiter Gute Wärmeleiter
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3. Beispielmesswerte: TemperaturZeitDiagramm
4. Tipp: Man könnte ein Thermosgefäß mit Deckel benutzen. Hierbei werden sowohl die Wärmeströmung (Deckel) als auch die Wärmestrahlung (verspiegelte Fläche) und die Wärmeleitung (Isolierschicht als Vakuum) eingedämmt.
Karte Ü5 Wärmeübertragung – Wärmequellen 1. a) 4 x natürliche Wärmequellen:
Mensch in Winterluft, Ostsee bei –3 °C Lufttemperatur, Sonne, Blitz 4 x künstliche Wärmequellen:
Kerzenflamme, heiße Herdplatte, Glühlampe, geheizter Ofen 4 x keine Wärmequellen:
Thermoskanne, Mütze, Bärenfell, Mensch in der Sauna b) größte natürliche Wärmequelle: Sonne
künstliche Wärmequelle, deren Wärmeabgabe eigentlich nicht erwünscht ist: Glühlampe 2. d) Der Stein gibt solange seine Wärme an das Wasser ab, bis die Temperaturen ausgeglichen
sind. Dies wird daran sichtbar, dass die Wassertemperatur nicht weiter steigt.
0 5 10 15 20 25 30
45 50 55 60 65 70 75
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Übungskarten Wärmeübertragung
_____________________ falten – – – – – – – – – – – –
Wärmeleitung Kunststoffe leiten die
Wärme wesentlich schlechter als Metalle.
Wärmestrahlung Hellere Kleidung
reflektiert die Wärmestrahlung,
dunklere absorbiert sie und erwärmt sich somit stärker.
Wärmeströmung Die warme Luft über der
Heizung strömt nach oben und bewegt die Flügel der
Pyramide.
Wärmeleitung Warum sind beispielsweise
Topfgriffe aus Kunststoff und nicht aus Alu?
Wärmestrahlung Warum ist im Sommer helle Kleidung günstiger
als dunkle?
Wärmeströmung Eine kleine, leichte Weihnachtspyramide dreht sich bereits, wenn
man sie auf eine Heizung stellt.
Warum?
Wärmedämmung
• Wärmeleitung: Doppel
wand mit Vakuum
• Wärmestrahlung: verspie
gelte Flächen reflektieren
• Wärmeströmung: Kork
stopfen
Kochen über Feuer
• Wärmeleitung:
Topf – Suppe – Kelle
• Wärmeströmung: heiße Luft
über dem Feuer strömt um den Topf, heiße Suppe am Boden strömt nach oben
• Wärmestrahlung: Feuer
strahlt Wärme allseitig an
die Umgebung
Wärmequellen Natürliche Wärmequellen:
Sonne, Eisbär
Wärmedämmung Wie werden bei einer Thermosflasche Wärme
leitung, Wärmestrahlung und Wärmeströmung
verringert?
Kochen über Feuer Über dem Lagerfeuer wird in einem Topf Suppe gekocht und mit einer Kelle entnom
men.
Erläutere die drei Arten der
Wärmequellen Welches sind natürliche Wärmequellen?
Kerzenflamme, Wollpullover, Herdplatte, Sonne, Eisbär
Ü Ü Ü
Ü Ü Ü
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Wärmelehre: Wärmeübertragung
Kerstin Neumann ist seit 25 Jahren Lehrerin und engagiert sich als Fachberaterin, Autorin und in bun- desweiten Fortbild ungen insbesondere für die Entwicklung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts. Derzeit ist sie am Sächsischen Bildungsinstitut tätig.
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