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Schülervorstellungen zur Wärmelehre

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Academic year: 2022

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Schülervorstellungen zur Wärmelehre

Prof. Dr. Christoph Kulgemeyer

AG Didaktik der Physik

Fakultät für Naturwissenschaften

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C. Kulgemeyer

Didaktische Rekonstruktion

Didaktisch-methodische Strukturierung

Fachliche Perspektive Lernenden-

perspektive

Nach: Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek (1997); Reinfried, Mathis & Kattmann (2009)

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C. Kulgemeyer

Didaktische Rekonstruktion

Didaktisch-methodische Strukturierung

Fachliche Perspektive Lernenden-

perspektive

Nach: Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek (1997); Reinfried, Mathis & Kattmann (2009)

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Was ist an Wärme umgangssprachlich?

Wärme im Sinne von Temperatur


• „Mir ist warm“


• „Das ist heute wieder eine Wärme"

Wärme im Sinne von innerer Energie

„Die Wand hat Wärme gespeichert".

Wärme als etwas stofflich Transportierbares


• „Der Ofen strahlt Wärme ab" (Wärmestoff?)

Wärme und Kälte sind zwei unterschiedliche Qualitäten

(5)

Wärmevorstellungen Primarstufe

Wärme macht Flüssigkeiten leichter, deshalb steigen sie

Wärme steigt nach oben

Ein großer Eisblock ist kälter und schmilzt deshalb langsamer

Wärme ist eine Art Stoff oder Substanz

Gießt man zwei Flüssigkeiten zusammen, dann addieren sich die Temperaturen

Kälte und Wärme sind 2 unterschiedliche Dinge („Stoffe“?) „Alle Körper enthalten ein Gemisch aus Wärme und Kälte“

(6)

C. Kulgemeyer

Wärmevorstellungen Primarstufe

Schlussfolgerung Wiesner & Stengl (1984): Man soll in der Primarstufe die SchülerInnen nicht mit einem „verschwommenen“ Wärmebegriff

überfordern, sondern sich mit dem

Temperaturbegriff ausführlich befassen
 Fast alle SchülerInnen können den

Temperaturausgleich bei Mischversuchen richtig vorhersagen.

(7)

Wärmevorstellungen weiterführende Schulformen

Gleichsetzung von Wärme (Menge) und (hoher) Temperatur (Intensität)

vgl. Alltagssprache „Wärme“ -> Hitze -> warm

Addition von Temperaturen bei Mischungen

„Wärme“ als Eigenschaft warmer Körper

Mikroskopischen Teilchen werden die Eigenschaften makroskopischer Körper zugeordnet

Körper dehnen sich bei Erwärmung aus, weil die Teilchen des Körpers größer werden

(8)

Wärmevorstellungen weiterführende Schulformen

Bestimmte Stoffe „machen“ oder sind warm bzw. kalt

Getränke bleiben in Alu-Dosen kühl

Wärmflasche bleibt unter der Bettdecke warm

Fliesenfußböden sind kälter als Teppiche

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C. Kulgemeyer

Didaktische Rekonstruktion

Didaktisch-methodische Strukturierung

Fachliche Perspektive Lernenden-

perspektive

Nach: Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek (1997); Reinfried, Mathis & Kattmann (2009)

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Was ist Wärme in der Physik?

Wärme ist eine bestimmte Form, in der Energie von einem System zu einem anderen übertragen wird.

Wärme ist also eine Energieaustauschform (keine 
 Energiespeicherform)!

Voraussetzung für die Übertragung ist eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern.

Die Intensität der Übertragung hängt von der

„Wärmeleitfähigkeit“ der Körper ab.

(11)

Was ist Wärme in der Physik?

Vorschlag Meyer: „Wärme ist die Energie, die

aufgrund des Temperaturunterschieds von einem wärmeren Körper auf einen kälteren übergeht.“

(12)

Was ist Innere Energie in der Physik?

1. Hauptsatz der Wärmelehre: dU = dQ + dW (Schreibweise dQ oder dW nicht unbedingt

notwendig: Q und W sind per se „Mengen“)

„Der Zuwachs an Innerer Energie eines

Systems ist gleich der Summe aus zugeführter Wärme und am System verrichteter Arbeit.“

Makroskopisch (klass. Thermodynamik):

Thermische Zuführung durch Berührung

(Reibung, Kompression, makrosk. Stöße) oder Strahlung.

Mikroskopisch (kinetische Gastheorie):


Wärme ist die durch Stoßprozesse der

Moleküle und durch Absorption von Strahlung übertragene Energie.

(13)

Was ist Innere Energie in der Physik?

Veränderung der Inneren Energie führt zu einer Temperaturänderung und/oder einer Änderung des Aggregatzustands (wenn chemische Reaktionen ausgeschlossen werden)

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C. Kulgemeyer

Didaktische Rekonstruktion

Didaktisch-methodische Strukturierung

Fachliche Perspektive Lernenden-

perspektive

Nach: Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek (1997); Reinfried, Mathis & Kattmann (2009)

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Alternative: Wärme nicht verwenden

Man kann den problematischen Begriff „Wärme“ (und gleichzeitig die Unterscheidung zwischen „Energie“ und „Arbeit“) vermeiden:

• „Wärme“ durch „thermische Übertragung von Energie“ ersetzen: 1.

Hauptsatz der Wärmelehre: dU = dE_thermisch + dE_mechanisch

• „Der Zuwachs an Innerer Energie ist gleich der Summe aus thermisch zugeführter Energie und mechanisch zugeführter Energie". (W. Jung)

gespeicherte Energie

Bewegungsenergie (makroskopisch)

potentielle Energie (makroskopisch)

Innere Energie (Bewegungsenergie und Lageenergie der

mikroskopischen Teilchen, Kernenergie, chemische Energie)

übertragene Energie

thermisch

mechanisch

(16)

Alternative: Karlsruher Physikkurs

Beobachtung: Der alltagssprachliche

Wärmebegriff ist fachlich erstaunlich nah an der Größe Entropie

„Etwas ist warm“ heißt, dass es eine hohe

Entropie beinhaltet - je höher die Temperatur, desto größer die Entropie

Der Karlsruher Physikkurs führt die Entropie als erste Größe der Thermodynamik ein, Ströme von Entropie entsprechen Wärmeübertragung

(17)

Problematische physikalische Formulierungen

„Wärmeenergie"


„Soll der Wärmezustand (die Temperatur) eines Körpers verändert werden, so ist entsprechend

Wärmeenergie (eine bestimmte Wärmemenge) zu- oder abzuführen.“


„Wärmemenge"


„Wärmereservoire“


(Zitate nach "Physik — Formeln und Gesetze“)

(Doppelung, wenn Wärme schon eine Energie ist)

(sollte man vermeiden, mögliche Assoziationen zu Wärme als Stoff)

(Wärme kann man nicht speichern)

(18)

Problematische physikalische Formulierungen

„Wärmekapazität“


„Schmelzwärme“

„Wärmeleitung“

(Zitate nach "Physik — Formeln und Gesetze“)

(Wärme kann man nicht speichern)

(besser: Schmelzenergie, Energie wird auch mechanisch übertragen)

Wärme wird immer geleitet

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Aufgaben

Schreiben Sie die folgenden Sätze in Fachsprache um:

„Das ist heute wieder einmal eine Kälte!“

„Im Winter wärmt ein Wollpullover am besten.“

„Am Ofen herrscht eine wohlige Wärme.“

„Die Sonne hat im April schon wieder eine große Kraft.“

„Die sibirische Kälte dringt nach Deutschland ein.“

Erstellen Sie eine schülergemäße Erklärung (8. Klasse), warum sich das metallene Bein eines Tischs kälter anfühlt als die hölzerne Platte!

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