Schulversuchspraktikum
5 Protokoll
Waumlrmelehre(2 und 3 Klasse Unterstufe)
Dana Eva Ernst 9955579
Linz am 812003
-1-
Inhaltsverzeichnis
Kapitel I - Thema und Ziele 3
Kapitel II - Grundlagen
21 Das Thermometer 4
22 Die Teilchenbewegung 5
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen 6
24 Waumlrmeenergie 9
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie 9
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderung von Stoffen 11
Kapitel III - Die Versuche
31 Das Thermometermodell 13
32 Die Eichung einer Thermometerskala 14
33 Der Bimetallstreifen 15
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten 16
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck 17
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen 18
37 Waumlrmeleitung 20
38 Waumlrmestroumlmung 21
39 Waumlrmestrahlung 22
310 Waumlrmedaumlmmung 22
311 Mischtemperatur 23
312 Spezifische Waumlrme von Wasser 25
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe 27
314 Schmelztemperatur 28
315 Kaumlltemischung 29
316 Erstarrungswaumlrme 30
317 Siedetemperatur von Wasser 31
318 Verdampfungswaumlrme 31
-2-
Kapitel IV - Zusatzinformationen
41 Die Waumlrmepumpe 33
42 Waumlrmedaumlmmung 34
43 Der k-Wert 35
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden 36
45 Heizwaumlrmebedarf 37
46 Luumlften 38
47 Heizen 38
Kapitel V - Anmerkung 40
Kapitel VI - Literatur 40
Anhang
Arbeitsblaumltter
-3-
I Thema und ZieleDie Waumlrmelehre stellt ein groszliges und umfangreiches Kapitel in der Unterstufe dar Bereits in
der 2 Klasse Unterstufe kommen die Schuumller mit diesem Thema in Kontakt Der Einstieg
erfolgt uumlber einfache Alltagsbeispiele Es werden Themen wie etwa der Begriff Temperatur
und Volumens- bzw Dichteaumlnderungen bei der Erwaumlrmung von Koumlrpern diskutiert
In der 3 Klasse Unterstufe wird dann das Thema Waumlrmelehre noch einmal aufgegriffen Hier
betrachtet man die Waumlrme bereits als eine Form der Energie und auszligerdem beschaumlftigt man
sich mit der Uumlbertragung und Umwandlung dieser Energieform
Was schreibt nun der Lehrplan fuumlr dieses Kapitel vor Was sind die Lerninhalte und die Ziele
der Waumlrmelehre
Fuumlr die 2 Klasse
Lernziele
Es werden Fragen beantwortet wie zB Was bedeutet es wenn man sagt bdquoDer
Koumlrper fuumlhlt sich warm oder kalt anldquo
Die Schuumller sollen erkennen welche wichtige Rolle die Temperatur bei biologischen
und technischen Vorgaumlnge spielt
Die Schuumller sollen thermische Erscheinungen erklaumlren koumlnnen und die Grundbegriffe
des Aufbaus von Koumlrpern kennen lernen
Lerninhalte
Waumlrmedehnung Temperaturmessung
Phaumlnomene wie Schmelzen Verdampfen und Verdunsten als Aumlnderung des
Volumens und der Teilchendichte
Einfuumlhrung des Teilchenmodells Groumlszligenordnung und Bewegung von Teilchen
Kraumlfte zwischen den Teilchen
Einfluss der Teilchenkraumlfte auf die Zustandsformen von Koumlrpern
Anwendung auf Alltagsbeobachtungen
Fuumlr die 3 Klasse
Lernziele
Der Begriff der Waumlrmeenergie wird durch Beobachten und Einordnen von
Waumlrmephaumlnomenen im Alltag erarbeitet
Deuten dieser beobachteten und erarbeiteten Zusammenhaumlnge mit Hilfe des
Teilchenmodells
-4-
Die verschiedenen Formen des Waumlrmetransports werden gelehrt
Die Schuumller sollen auszligerdem die Bedeutung des Waumlrmeaustauschs fuumlr Lebewesen
erkennen
Die Zustandsaumlnderungen bei Koumlrpern und Stoffen und die praktische Bedeutung der
Zustandsaumlnderungen werden analysiert
Gegebenenfalls Die Schuumller sollen Wetterphaumlnomene und Klimaerscheinungen durch
das Einwirken der Sonne kennenlernen und verstehen
Lerninhalte
Reibungswaumlrme Verbrennungswaumlrme Stromwaumlrme
Heizsysteme Waumlrmedaumlmmung Kleidung Waumlrmehaushalt von Lebewesen
Bedingungen fuumlr die Aumlnderung der Zustandsformen (Temperatur Druck)
Kenntnisse uumlber Loumlten und Schweiszligen
Anomalie des Wassers
Druckkochtopf Zustandsaumlnderungen bei der Zubereitung von Speisen
Schmelz- und Verdampfungswaumlrme
Die Sonne als Motor fuumlr das Wettergeschehen und als Energiequelle Tag und Nacht
Jahreszeiten Wasserkreislauf Meeresstroumlmungen Windsysteme Nebel- und
Wolkenbildung Niederschlaumlge
Vorausgesetztes Wissen fuumlr dieses Protokoll
Das Wissen uumlber Kohaumlsion und Adhaumlsion
Zusammenhang zwischen Masse und Dichte eines Koumlrpers
II Grundlagen
Stoff der 2 Klasse
21 Das Thermometer
Ein Thermometer besteht aus einem Steigrohr und einem mit Fluumlssigkeit gefuumlllten Kolben
Diese Fluumlssigkeit ist uumlblicherweise Quecksilber oder ein gefaumlrbter Alkohol Mit Hilfe dieser
Fluumlssigkeit kann man Temperaturen messen Je staumlrker die Erwaumlrmung desto groumlszliger ist die
Ausdehnung der Fluumlssigkeit
Damit man die Temperatur genau bestimmen kann hat jedes Thermometer eine Gradskala
Dabei gibt es zwei wichtige Fixpunkte Der 1 Fixpunkt ist der Schmelzpunkt des Eises Das
ist wie der Name schon verraumlt jener Punkt bei dem Eis anfaumlngt zu schmelzen Der
Siedepunkt des Wassers ist jener Punkt bei dem Wasser zu sieden beginnt Dieser Punkt wird
auch als 2 Fixpunkt eines Thermometers bezeichnet
-5-
Das Grad Celsius
Die Einheit der Temperatur t im taumlglichen Leben (vorzugsweise in Europa) ist das Grad
Celsius (degC)
Anmerkung In anderen Laumlndern wie zum Beispiel in den USA begegnet man oft der Einheit
Fahrenheit Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit ist etwas komplizierter und
wird deshalb in diesem Protokoll nicht weiter erwaumlhnt Ohnehin stellt diese Information fuumlr
Schuumller der 2 Klasse lediglich eine Zusatzinformation dar
Ein Grad Celsius ist der hunderste Teil des Abstandes zwischen der Temperatur des
schmelzenden Eises (1 Fixpunkt oder auch Eispunkt) und der Temperatur des siedenden
Wassers (2 Fixpunkt) Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0 degC und der Siedepunkt des
Wassers bei 100 degC
22 Die Teilchenbewegung
Doch was bdquogehtldquo nun im Inneren eines Koumlrpers bdquovorldquo wenn seine Temperatur faumlllt oder steigt
Anmerkung Die Schuumller sollten bereits wissen dass zwischen der Bewegung der kleinsten
Teilchen eines Koumlrpers und der Temperatur ein Zusammenhang besteht Sie wissen bereits
wie ein Koumlrper aufgebaut ist denn das Kapitel vor der Waumlrmelehre ist meist ein Kapitel der
Form bdquoAlle Stoffe bestehen aus Teilchenldquo
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung
Bewegen sich die Teilchen im Inneren eines Koumlrpers schnell so ist seine Temperatur hoch
Bewegen sich die Teilchen hingegen langsamer so ist seine Temperatur niedriger
Wir haben nun gesehen dass die Teilchen sich langsamer bewegen wenn die Temperatur des
Koumlrpers niedriger wird Gibt es nun eine Temperatur bei der die Teilchen zum Stillstand
kommen Antwort Ja die gibt es
Diese Temperatur liegt bei ndash27315 degC und wird auch als der bdquoabsolute Nullpunktldquo
bezeichnet
Es gibt auch eine Temperaturskala die vom bdquoabsoluten Nullpunktldquo aus ausgeht Die Kelvin-
Skala (gibt die absolute Temperatur an) Die Umrechnung zwischen Celsius- und Kelvin-
Skala ist ganz einfach
Die Absolute Temperatur
Die Absolute Temperatur T = Temperatur in degC + 27315 Oder in einer Formel ausgedruumlckt
T = t + 27315
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-1-
Inhaltsverzeichnis
Kapitel I - Thema und Ziele 3
Kapitel II - Grundlagen
21 Das Thermometer 4
22 Die Teilchenbewegung 5
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen 6
24 Waumlrmeenergie 9
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie 9
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderung von Stoffen 11
Kapitel III - Die Versuche
31 Das Thermometermodell 13
32 Die Eichung einer Thermometerskala 14
33 Der Bimetallstreifen 15
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten 16
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck 17
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen 18
37 Waumlrmeleitung 20
38 Waumlrmestroumlmung 21
39 Waumlrmestrahlung 22
310 Waumlrmedaumlmmung 22
311 Mischtemperatur 23
312 Spezifische Waumlrme von Wasser 25
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe 27
314 Schmelztemperatur 28
315 Kaumlltemischung 29
316 Erstarrungswaumlrme 30
317 Siedetemperatur von Wasser 31
318 Verdampfungswaumlrme 31
-2-
Kapitel IV - Zusatzinformationen
41 Die Waumlrmepumpe 33
42 Waumlrmedaumlmmung 34
43 Der k-Wert 35
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden 36
45 Heizwaumlrmebedarf 37
46 Luumlften 38
47 Heizen 38
Kapitel V - Anmerkung 40
Kapitel VI - Literatur 40
Anhang
Arbeitsblaumltter
-3-
I Thema und ZieleDie Waumlrmelehre stellt ein groszliges und umfangreiches Kapitel in der Unterstufe dar Bereits in
der 2 Klasse Unterstufe kommen die Schuumller mit diesem Thema in Kontakt Der Einstieg
erfolgt uumlber einfache Alltagsbeispiele Es werden Themen wie etwa der Begriff Temperatur
und Volumens- bzw Dichteaumlnderungen bei der Erwaumlrmung von Koumlrpern diskutiert
In der 3 Klasse Unterstufe wird dann das Thema Waumlrmelehre noch einmal aufgegriffen Hier
betrachtet man die Waumlrme bereits als eine Form der Energie und auszligerdem beschaumlftigt man
sich mit der Uumlbertragung und Umwandlung dieser Energieform
Was schreibt nun der Lehrplan fuumlr dieses Kapitel vor Was sind die Lerninhalte und die Ziele
der Waumlrmelehre
Fuumlr die 2 Klasse
Lernziele
Es werden Fragen beantwortet wie zB Was bedeutet es wenn man sagt bdquoDer
Koumlrper fuumlhlt sich warm oder kalt anldquo
Die Schuumller sollen erkennen welche wichtige Rolle die Temperatur bei biologischen
und technischen Vorgaumlnge spielt
Die Schuumller sollen thermische Erscheinungen erklaumlren koumlnnen und die Grundbegriffe
des Aufbaus von Koumlrpern kennen lernen
Lerninhalte
Waumlrmedehnung Temperaturmessung
Phaumlnomene wie Schmelzen Verdampfen und Verdunsten als Aumlnderung des
Volumens und der Teilchendichte
Einfuumlhrung des Teilchenmodells Groumlszligenordnung und Bewegung von Teilchen
Kraumlfte zwischen den Teilchen
Einfluss der Teilchenkraumlfte auf die Zustandsformen von Koumlrpern
Anwendung auf Alltagsbeobachtungen
Fuumlr die 3 Klasse
Lernziele
Der Begriff der Waumlrmeenergie wird durch Beobachten und Einordnen von
Waumlrmephaumlnomenen im Alltag erarbeitet
Deuten dieser beobachteten und erarbeiteten Zusammenhaumlnge mit Hilfe des
Teilchenmodells
-4-
Die verschiedenen Formen des Waumlrmetransports werden gelehrt
Die Schuumller sollen auszligerdem die Bedeutung des Waumlrmeaustauschs fuumlr Lebewesen
erkennen
Die Zustandsaumlnderungen bei Koumlrpern und Stoffen und die praktische Bedeutung der
Zustandsaumlnderungen werden analysiert
Gegebenenfalls Die Schuumller sollen Wetterphaumlnomene und Klimaerscheinungen durch
das Einwirken der Sonne kennenlernen und verstehen
Lerninhalte
Reibungswaumlrme Verbrennungswaumlrme Stromwaumlrme
Heizsysteme Waumlrmedaumlmmung Kleidung Waumlrmehaushalt von Lebewesen
Bedingungen fuumlr die Aumlnderung der Zustandsformen (Temperatur Druck)
Kenntnisse uumlber Loumlten und Schweiszligen
Anomalie des Wassers
Druckkochtopf Zustandsaumlnderungen bei der Zubereitung von Speisen
Schmelz- und Verdampfungswaumlrme
Die Sonne als Motor fuumlr das Wettergeschehen und als Energiequelle Tag und Nacht
Jahreszeiten Wasserkreislauf Meeresstroumlmungen Windsysteme Nebel- und
Wolkenbildung Niederschlaumlge
Vorausgesetztes Wissen fuumlr dieses Protokoll
Das Wissen uumlber Kohaumlsion und Adhaumlsion
Zusammenhang zwischen Masse und Dichte eines Koumlrpers
II Grundlagen
Stoff der 2 Klasse
21 Das Thermometer
Ein Thermometer besteht aus einem Steigrohr und einem mit Fluumlssigkeit gefuumlllten Kolben
Diese Fluumlssigkeit ist uumlblicherweise Quecksilber oder ein gefaumlrbter Alkohol Mit Hilfe dieser
Fluumlssigkeit kann man Temperaturen messen Je staumlrker die Erwaumlrmung desto groumlszliger ist die
Ausdehnung der Fluumlssigkeit
Damit man die Temperatur genau bestimmen kann hat jedes Thermometer eine Gradskala
Dabei gibt es zwei wichtige Fixpunkte Der 1 Fixpunkt ist der Schmelzpunkt des Eises Das
ist wie der Name schon verraumlt jener Punkt bei dem Eis anfaumlngt zu schmelzen Der
Siedepunkt des Wassers ist jener Punkt bei dem Wasser zu sieden beginnt Dieser Punkt wird
auch als 2 Fixpunkt eines Thermometers bezeichnet
-5-
Das Grad Celsius
Die Einheit der Temperatur t im taumlglichen Leben (vorzugsweise in Europa) ist das Grad
Celsius (degC)
Anmerkung In anderen Laumlndern wie zum Beispiel in den USA begegnet man oft der Einheit
Fahrenheit Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit ist etwas komplizierter und
wird deshalb in diesem Protokoll nicht weiter erwaumlhnt Ohnehin stellt diese Information fuumlr
Schuumller der 2 Klasse lediglich eine Zusatzinformation dar
Ein Grad Celsius ist der hunderste Teil des Abstandes zwischen der Temperatur des
schmelzenden Eises (1 Fixpunkt oder auch Eispunkt) und der Temperatur des siedenden
Wassers (2 Fixpunkt) Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0 degC und der Siedepunkt des
Wassers bei 100 degC
22 Die Teilchenbewegung
Doch was bdquogehtldquo nun im Inneren eines Koumlrpers bdquovorldquo wenn seine Temperatur faumlllt oder steigt
Anmerkung Die Schuumller sollten bereits wissen dass zwischen der Bewegung der kleinsten
Teilchen eines Koumlrpers und der Temperatur ein Zusammenhang besteht Sie wissen bereits
wie ein Koumlrper aufgebaut ist denn das Kapitel vor der Waumlrmelehre ist meist ein Kapitel der
Form bdquoAlle Stoffe bestehen aus Teilchenldquo
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung
Bewegen sich die Teilchen im Inneren eines Koumlrpers schnell so ist seine Temperatur hoch
Bewegen sich die Teilchen hingegen langsamer so ist seine Temperatur niedriger
Wir haben nun gesehen dass die Teilchen sich langsamer bewegen wenn die Temperatur des
Koumlrpers niedriger wird Gibt es nun eine Temperatur bei der die Teilchen zum Stillstand
kommen Antwort Ja die gibt es
Diese Temperatur liegt bei ndash27315 degC und wird auch als der bdquoabsolute Nullpunktldquo
bezeichnet
Es gibt auch eine Temperaturskala die vom bdquoabsoluten Nullpunktldquo aus ausgeht Die Kelvin-
Skala (gibt die absolute Temperatur an) Die Umrechnung zwischen Celsius- und Kelvin-
Skala ist ganz einfach
Die Absolute Temperatur
Die Absolute Temperatur T = Temperatur in degC + 27315 Oder in einer Formel ausgedruumlckt
T = t + 27315
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-2-
Kapitel IV - Zusatzinformationen
41 Die Waumlrmepumpe 33
42 Waumlrmedaumlmmung 34
43 Der k-Wert 35
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden 36
45 Heizwaumlrmebedarf 37
46 Luumlften 38
47 Heizen 38
Kapitel V - Anmerkung 40
Kapitel VI - Literatur 40
Anhang
Arbeitsblaumltter
-3-
I Thema und ZieleDie Waumlrmelehre stellt ein groszliges und umfangreiches Kapitel in der Unterstufe dar Bereits in
der 2 Klasse Unterstufe kommen die Schuumller mit diesem Thema in Kontakt Der Einstieg
erfolgt uumlber einfache Alltagsbeispiele Es werden Themen wie etwa der Begriff Temperatur
und Volumens- bzw Dichteaumlnderungen bei der Erwaumlrmung von Koumlrpern diskutiert
In der 3 Klasse Unterstufe wird dann das Thema Waumlrmelehre noch einmal aufgegriffen Hier
betrachtet man die Waumlrme bereits als eine Form der Energie und auszligerdem beschaumlftigt man
sich mit der Uumlbertragung und Umwandlung dieser Energieform
Was schreibt nun der Lehrplan fuumlr dieses Kapitel vor Was sind die Lerninhalte und die Ziele
der Waumlrmelehre
Fuumlr die 2 Klasse
Lernziele
Es werden Fragen beantwortet wie zB Was bedeutet es wenn man sagt bdquoDer
Koumlrper fuumlhlt sich warm oder kalt anldquo
Die Schuumller sollen erkennen welche wichtige Rolle die Temperatur bei biologischen
und technischen Vorgaumlnge spielt
Die Schuumller sollen thermische Erscheinungen erklaumlren koumlnnen und die Grundbegriffe
des Aufbaus von Koumlrpern kennen lernen
Lerninhalte
Waumlrmedehnung Temperaturmessung
Phaumlnomene wie Schmelzen Verdampfen und Verdunsten als Aumlnderung des
Volumens und der Teilchendichte
Einfuumlhrung des Teilchenmodells Groumlszligenordnung und Bewegung von Teilchen
Kraumlfte zwischen den Teilchen
Einfluss der Teilchenkraumlfte auf die Zustandsformen von Koumlrpern
Anwendung auf Alltagsbeobachtungen
Fuumlr die 3 Klasse
Lernziele
Der Begriff der Waumlrmeenergie wird durch Beobachten und Einordnen von
Waumlrmephaumlnomenen im Alltag erarbeitet
Deuten dieser beobachteten und erarbeiteten Zusammenhaumlnge mit Hilfe des
Teilchenmodells
-4-
Die verschiedenen Formen des Waumlrmetransports werden gelehrt
Die Schuumller sollen auszligerdem die Bedeutung des Waumlrmeaustauschs fuumlr Lebewesen
erkennen
Die Zustandsaumlnderungen bei Koumlrpern und Stoffen und die praktische Bedeutung der
Zustandsaumlnderungen werden analysiert
Gegebenenfalls Die Schuumller sollen Wetterphaumlnomene und Klimaerscheinungen durch
das Einwirken der Sonne kennenlernen und verstehen
Lerninhalte
Reibungswaumlrme Verbrennungswaumlrme Stromwaumlrme
Heizsysteme Waumlrmedaumlmmung Kleidung Waumlrmehaushalt von Lebewesen
Bedingungen fuumlr die Aumlnderung der Zustandsformen (Temperatur Druck)
Kenntnisse uumlber Loumlten und Schweiszligen
Anomalie des Wassers
Druckkochtopf Zustandsaumlnderungen bei der Zubereitung von Speisen
Schmelz- und Verdampfungswaumlrme
Die Sonne als Motor fuumlr das Wettergeschehen und als Energiequelle Tag und Nacht
Jahreszeiten Wasserkreislauf Meeresstroumlmungen Windsysteme Nebel- und
Wolkenbildung Niederschlaumlge
Vorausgesetztes Wissen fuumlr dieses Protokoll
Das Wissen uumlber Kohaumlsion und Adhaumlsion
Zusammenhang zwischen Masse und Dichte eines Koumlrpers
II Grundlagen
Stoff der 2 Klasse
21 Das Thermometer
Ein Thermometer besteht aus einem Steigrohr und einem mit Fluumlssigkeit gefuumlllten Kolben
Diese Fluumlssigkeit ist uumlblicherweise Quecksilber oder ein gefaumlrbter Alkohol Mit Hilfe dieser
Fluumlssigkeit kann man Temperaturen messen Je staumlrker die Erwaumlrmung desto groumlszliger ist die
Ausdehnung der Fluumlssigkeit
Damit man die Temperatur genau bestimmen kann hat jedes Thermometer eine Gradskala
Dabei gibt es zwei wichtige Fixpunkte Der 1 Fixpunkt ist der Schmelzpunkt des Eises Das
ist wie der Name schon verraumlt jener Punkt bei dem Eis anfaumlngt zu schmelzen Der
Siedepunkt des Wassers ist jener Punkt bei dem Wasser zu sieden beginnt Dieser Punkt wird
auch als 2 Fixpunkt eines Thermometers bezeichnet
-5-
Das Grad Celsius
Die Einheit der Temperatur t im taumlglichen Leben (vorzugsweise in Europa) ist das Grad
Celsius (degC)
Anmerkung In anderen Laumlndern wie zum Beispiel in den USA begegnet man oft der Einheit
Fahrenheit Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit ist etwas komplizierter und
wird deshalb in diesem Protokoll nicht weiter erwaumlhnt Ohnehin stellt diese Information fuumlr
Schuumller der 2 Klasse lediglich eine Zusatzinformation dar
Ein Grad Celsius ist der hunderste Teil des Abstandes zwischen der Temperatur des
schmelzenden Eises (1 Fixpunkt oder auch Eispunkt) und der Temperatur des siedenden
Wassers (2 Fixpunkt) Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0 degC und der Siedepunkt des
Wassers bei 100 degC
22 Die Teilchenbewegung
Doch was bdquogehtldquo nun im Inneren eines Koumlrpers bdquovorldquo wenn seine Temperatur faumlllt oder steigt
Anmerkung Die Schuumller sollten bereits wissen dass zwischen der Bewegung der kleinsten
Teilchen eines Koumlrpers und der Temperatur ein Zusammenhang besteht Sie wissen bereits
wie ein Koumlrper aufgebaut ist denn das Kapitel vor der Waumlrmelehre ist meist ein Kapitel der
Form bdquoAlle Stoffe bestehen aus Teilchenldquo
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung
Bewegen sich die Teilchen im Inneren eines Koumlrpers schnell so ist seine Temperatur hoch
Bewegen sich die Teilchen hingegen langsamer so ist seine Temperatur niedriger
Wir haben nun gesehen dass die Teilchen sich langsamer bewegen wenn die Temperatur des
Koumlrpers niedriger wird Gibt es nun eine Temperatur bei der die Teilchen zum Stillstand
kommen Antwort Ja die gibt es
Diese Temperatur liegt bei ndash27315 degC und wird auch als der bdquoabsolute Nullpunktldquo
bezeichnet
Es gibt auch eine Temperaturskala die vom bdquoabsoluten Nullpunktldquo aus ausgeht Die Kelvin-
Skala (gibt die absolute Temperatur an) Die Umrechnung zwischen Celsius- und Kelvin-
Skala ist ganz einfach
Die Absolute Temperatur
Die Absolute Temperatur T = Temperatur in degC + 27315 Oder in einer Formel ausgedruumlckt
T = t + 27315
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-3-
I Thema und ZieleDie Waumlrmelehre stellt ein groszliges und umfangreiches Kapitel in der Unterstufe dar Bereits in
der 2 Klasse Unterstufe kommen die Schuumller mit diesem Thema in Kontakt Der Einstieg
erfolgt uumlber einfache Alltagsbeispiele Es werden Themen wie etwa der Begriff Temperatur
und Volumens- bzw Dichteaumlnderungen bei der Erwaumlrmung von Koumlrpern diskutiert
In der 3 Klasse Unterstufe wird dann das Thema Waumlrmelehre noch einmal aufgegriffen Hier
betrachtet man die Waumlrme bereits als eine Form der Energie und auszligerdem beschaumlftigt man
sich mit der Uumlbertragung und Umwandlung dieser Energieform
Was schreibt nun der Lehrplan fuumlr dieses Kapitel vor Was sind die Lerninhalte und die Ziele
der Waumlrmelehre
Fuumlr die 2 Klasse
Lernziele
Es werden Fragen beantwortet wie zB Was bedeutet es wenn man sagt bdquoDer
Koumlrper fuumlhlt sich warm oder kalt anldquo
Die Schuumller sollen erkennen welche wichtige Rolle die Temperatur bei biologischen
und technischen Vorgaumlnge spielt
Die Schuumller sollen thermische Erscheinungen erklaumlren koumlnnen und die Grundbegriffe
des Aufbaus von Koumlrpern kennen lernen
Lerninhalte
Waumlrmedehnung Temperaturmessung
Phaumlnomene wie Schmelzen Verdampfen und Verdunsten als Aumlnderung des
Volumens und der Teilchendichte
Einfuumlhrung des Teilchenmodells Groumlszligenordnung und Bewegung von Teilchen
Kraumlfte zwischen den Teilchen
Einfluss der Teilchenkraumlfte auf die Zustandsformen von Koumlrpern
Anwendung auf Alltagsbeobachtungen
Fuumlr die 3 Klasse
Lernziele
Der Begriff der Waumlrmeenergie wird durch Beobachten und Einordnen von
Waumlrmephaumlnomenen im Alltag erarbeitet
Deuten dieser beobachteten und erarbeiteten Zusammenhaumlnge mit Hilfe des
Teilchenmodells
-4-
Die verschiedenen Formen des Waumlrmetransports werden gelehrt
Die Schuumller sollen auszligerdem die Bedeutung des Waumlrmeaustauschs fuumlr Lebewesen
erkennen
Die Zustandsaumlnderungen bei Koumlrpern und Stoffen und die praktische Bedeutung der
Zustandsaumlnderungen werden analysiert
Gegebenenfalls Die Schuumller sollen Wetterphaumlnomene und Klimaerscheinungen durch
das Einwirken der Sonne kennenlernen und verstehen
Lerninhalte
Reibungswaumlrme Verbrennungswaumlrme Stromwaumlrme
Heizsysteme Waumlrmedaumlmmung Kleidung Waumlrmehaushalt von Lebewesen
Bedingungen fuumlr die Aumlnderung der Zustandsformen (Temperatur Druck)
Kenntnisse uumlber Loumlten und Schweiszligen
Anomalie des Wassers
Druckkochtopf Zustandsaumlnderungen bei der Zubereitung von Speisen
Schmelz- und Verdampfungswaumlrme
Die Sonne als Motor fuumlr das Wettergeschehen und als Energiequelle Tag und Nacht
Jahreszeiten Wasserkreislauf Meeresstroumlmungen Windsysteme Nebel- und
Wolkenbildung Niederschlaumlge
Vorausgesetztes Wissen fuumlr dieses Protokoll
Das Wissen uumlber Kohaumlsion und Adhaumlsion
Zusammenhang zwischen Masse und Dichte eines Koumlrpers
II Grundlagen
Stoff der 2 Klasse
21 Das Thermometer
Ein Thermometer besteht aus einem Steigrohr und einem mit Fluumlssigkeit gefuumlllten Kolben
Diese Fluumlssigkeit ist uumlblicherweise Quecksilber oder ein gefaumlrbter Alkohol Mit Hilfe dieser
Fluumlssigkeit kann man Temperaturen messen Je staumlrker die Erwaumlrmung desto groumlszliger ist die
Ausdehnung der Fluumlssigkeit
Damit man die Temperatur genau bestimmen kann hat jedes Thermometer eine Gradskala
Dabei gibt es zwei wichtige Fixpunkte Der 1 Fixpunkt ist der Schmelzpunkt des Eises Das
ist wie der Name schon verraumlt jener Punkt bei dem Eis anfaumlngt zu schmelzen Der
Siedepunkt des Wassers ist jener Punkt bei dem Wasser zu sieden beginnt Dieser Punkt wird
auch als 2 Fixpunkt eines Thermometers bezeichnet
-5-
Das Grad Celsius
Die Einheit der Temperatur t im taumlglichen Leben (vorzugsweise in Europa) ist das Grad
Celsius (degC)
Anmerkung In anderen Laumlndern wie zum Beispiel in den USA begegnet man oft der Einheit
Fahrenheit Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit ist etwas komplizierter und
wird deshalb in diesem Protokoll nicht weiter erwaumlhnt Ohnehin stellt diese Information fuumlr
Schuumller der 2 Klasse lediglich eine Zusatzinformation dar
Ein Grad Celsius ist der hunderste Teil des Abstandes zwischen der Temperatur des
schmelzenden Eises (1 Fixpunkt oder auch Eispunkt) und der Temperatur des siedenden
Wassers (2 Fixpunkt) Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0 degC und der Siedepunkt des
Wassers bei 100 degC
22 Die Teilchenbewegung
Doch was bdquogehtldquo nun im Inneren eines Koumlrpers bdquovorldquo wenn seine Temperatur faumlllt oder steigt
Anmerkung Die Schuumller sollten bereits wissen dass zwischen der Bewegung der kleinsten
Teilchen eines Koumlrpers und der Temperatur ein Zusammenhang besteht Sie wissen bereits
wie ein Koumlrper aufgebaut ist denn das Kapitel vor der Waumlrmelehre ist meist ein Kapitel der
Form bdquoAlle Stoffe bestehen aus Teilchenldquo
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung
Bewegen sich die Teilchen im Inneren eines Koumlrpers schnell so ist seine Temperatur hoch
Bewegen sich die Teilchen hingegen langsamer so ist seine Temperatur niedriger
Wir haben nun gesehen dass die Teilchen sich langsamer bewegen wenn die Temperatur des
Koumlrpers niedriger wird Gibt es nun eine Temperatur bei der die Teilchen zum Stillstand
kommen Antwort Ja die gibt es
Diese Temperatur liegt bei ndash27315 degC und wird auch als der bdquoabsolute Nullpunktldquo
bezeichnet
Es gibt auch eine Temperaturskala die vom bdquoabsoluten Nullpunktldquo aus ausgeht Die Kelvin-
Skala (gibt die absolute Temperatur an) Die Umrechnung zwischen Celsius- und Kelvin-
Skala ist ganz einfach
Die Absolute Temperatur
Die Absolute Temperatur T = Temperatur in degC + 27315 Oder in einer Formel ausgedruumlckt
T = t + 27315
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-4-
Die verschiedenen Formen des Waumlrmetransports werden gelehrt
Die Schuumller sollen auszligerdem die Bedeutung des Waumlrmeaustauschs fuumlr Lebewesen
erkennen
Die Zustandsaumlnderungen bei Koumlrpern und Stoffen und die praktische Bedeutung der
Zustandsaumlnderungen werden analysiert
Gegebenenfalls Die Schuumller sollen Wetterphaumlnomene und Klimaerscheinungen durch
das Einwirken der Sonne kennenlernen und verstehen
Lerninhalte
Reibungswaumlrme Verbrennungswaumlrme Stromwaumlrme
Heizsysteme Waumlrmedaumlmmung Kleidung Waumlrmehaushalt von Lebewesen
Bedingungen fuumlr die Aumlnderung der Zustandsformen (Temperatur Druck)
Kenntnisse uumlber Loumlten und Schweiszligen
Anomalie des Wassers
Druckkochtopf Zustandsaumlnderungen bei der Zubereitung von Speisen
Schmelz- und Verdampfungswaumlrme
Die Sonne als Motor fuumlr das Wettergeschehen und als Energiequelle Tag und Nacht
Jahreszeiten Wasserkreislauf Meeresstroumlmungen Windsysteme Nebel- und
Wolkenbildung Niederschlaumlge
Vorausgesetztes Wissen fuumlr dieses Protokoll
Das Wissen uumlber Kohaumlsion und Adhaumlsion
Zusammenhang zwischen Masse und Dichte eines Koumlrpers
II Grundlagen
Stoff der 2 Klasse
21 Das Thermometer
Ein Thermometer besteht aus einem Steigrohr und einem mit Fluumlssigkeit gefuumlllten Kolben
Diese Fluumlssigkeit ist uumlblicherweise Quecksilber oder ein gefaumlrbter Alkohol Mit Hilfe dieser
Fluumlssigkeit kann man Temperaturen messen Je staumlrker die Erwaumlrmung desto groumlszliger ist die
Ausdehnung der Fluumlssigkeit
Damit man die Temperatur genau bestimmen kann hat jedes Thermometer eine Gradskala
Dabei gibt es zwei wichtige Fixpunkte Der 1 Fixpunkt ist der Schmelzpunkt des Eises Das
ist wie der Name schon verraumlt jener Punkt bei dem Eis anfaumlngt zu schmelzen Der
Siedepunkt des Wassers ist jener Punkt bei dem Wasser zu sieden beginnt Dieser Punkt wird
auch als 2 Fixpunkt eines Thermometers bezeichnet
-5-
Das Grad Celsius
Die Einheit der Temperatur t im taumlglichen Leben (vorzugsweise in Europa) ist das Grad
Celsius (degC)
Anmerkung In anderen Laumlndern wie zum Beispiel in den USA begegnet man oft der Einheit
Fahrenheit Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit ist etwas komplizierter und
wird deshalb in diesem Protokoll nicht weiter erwaumlhnt Ohnehin stellt diese Information fuumlr
Schuumller der 2 Klasse lediglich eine Zusatzinformation dar
Ein Grad Celsius ist der hunderste Teil des Abstandes zwischen der Temperatur des
schmelzenden Eises (1 Fixpunkt oder auch Eispunkt) und der Temperatur des siedenden
Wassers (2 Fixpunkt) Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0 degC und der Siedepunkt des
Wassers bei 100 degC
22 Die Teilchenbewegung
Doch was bdquogehtldquo nun im Inneren eines Koumlrpers bdquovorldquo wenn seine Temperatur faumlllt oder steigt
Anmerkung Die Schuumller sollten bereits wissen dass zwischen der Bewegung der kleinsten
Teilchen eines Koumlrpers und der Temperatur ein Zusammenhang besteht Sie wissen bereits
wie ein Koumlrper aufgebaut ist denn das Kapitel vor der Waumlrmelehre ist meist ein Kapitel der
Form bdquoAlle Stoffe bestehen aus Teilchenldquo
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung
Bewegen sich die Teilchen im Inneren eines Koumlrpers schnell so ist seine Temperatur hoch
Bewegen sich die Teilchen hingegen langsamer so ist seine Temperatur niedriger
Wir haben nun gesehen dass die Teilchen sich langsamer bewegen wenn die Temperatur des
Koumlrpers niedriger wird Gibt es nun eine Temperatur bei der die Teilchen zum Stillstand
kommen Antwort Ja die gibt es
Diese Temperatur liegt bei ndash27315 degC und wird auch als der bdquoabsolute Nullpunktldquo
bezeichnet
Es gibt auch eine Temperaturskala die vom bdquoabsoluten Nullpunktldquo aus ausgeht Die Kelvin-
Skala (gibt die absolute Temperatur an) Die Umrechnung zwischen Celsius- und Kelvin-
Skala ist ganz einfach
Die Absolute Temperatur
Die Absolute Temperatur T = Temperatur in degC + 27315 Oder in einer Formel ausgedruumlckt
T = t + 27315
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-5-
Das Grad Celsius
Die Einheit der Temperatur t im taumlglichen Leben (vorzugsweise in Europa) ist das Grad
Celsius (degC)
Anmerkung In anderen Laumlndern wie zum Beispiel in den USA begegnet man oft der Einheit
Fahrenheit Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit ist etwas komplizierter und
wird deshalb in diesem Protokoll nicht weiter erwaumlhnt Ohnehin stellt diese Information fuumlr
Schuumller der 2 Klasse lediglich eine Zusatzinformation dar
Ein Grad Celsius ist der hunderste Teil des Abstandes zwischen der Temperatur des
schmelzenden Eises (1 Fixpunkt oder auch Eispunkt) und der Temperatur des siedenden
Wassers (2 Fixpunkt) Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0 degC und der Siedepunkt des
Wassers bei 100 degC
22 Die Teilchenbewegung
Doch was bdquogehtldquo nun im Inneren eines Koumlrpers bdquovorldquo wenn seine Temperatur faumlllt oder steigt
Anmerkung Die Schuumller sollten bereits wissen dass zwischen der Bewegung der kleinsten
Teilchen eines Koumlrpers und der Temperatur ein Zusammenhang besteht Sie wissen bereits
wie ein Koumlrper aufgebaut ist denn das Kapitel vor der Waumlrmelehre ist meist ein Kapitel der
Form bdquoAlle Stoffe bestehen aus Teilchenldquo
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung
Bewegen sich die Teilchen im Inneren eines Koumlrpers schnell so ist seine Temperatur hoch
Bewegen sich die Teilchen hingegen langsamer so ist seine Temperatur niedriger
Wir haben nun gesehen dass die Teilchen sich langsamer bewegen wenn die Temperatur des
Koumlrpers niedriger wird Gibt es nun eine Temperatur bei der die Teilchen zum Stillstand
kommen Antwort Ja die gibt es
Diese Temperatur liegt bei ndash27315 degC und wird auch als der bdquoabsolute Nullpunktldquo
bezeichnet
Es gibt auch eine Temperaturskala die vom bdquoabsoluten Nullpunktldquo aus ausgeht Die Kelvin-
Skala (gibt die absolute Temperatur an) Die Umrechnung zwischen Celsius- und Kelvin-
Skala ist ganz einfach
Die Absolute Temperatur
Die Absolute Temperatur T = Temperatur in degC + 27315 Oder in einer Formel ausgedruumlckt
T = t + 27315
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-6-
Das folgende Diagramm soll diesen Zusammenhang anschaulich verdeutlichen und den
Schuumllern helfen die obige Formel zu verstehen
Jetzt wissen wir was mit den Teilchen im Inneren eines Koumlrpers geschieht wenn wir die
Temperatur des Koumlrpers aumlndern Was passiert dabei mit dem Volumen Bleibt es gleich oder
veraumlndert es sich ebenfalls Antwort Das Volumen aumlndert sich ebenfalls
23 Ausdehnung von festen fluumlssigen und gasfoumlrmigen Koumlrpern beim Erwaumlrmen
Wie wir gesehen haben bewegen sich die Teilchen eines Koumlrpers schnell wenn man den
Koumlrper erwaumlrmt Deshalb brauchen die Teilchen mehr Platz Das Volumen des Koumlrpers wird
also groumlszliger
Wie die Schuumller schon wissen sollten herrschen im Inneren von Koumlrpern Kohaumlsionskraumlfte die
den Koumlrper zusammenhalten Bei festen Stoffen sind diese Kraumlfte stark bei fluumlssigen Koumlrpern
schon schwaumlcher und bei gasfoumlrmigen Koumlrpern schwach
Fast alle Koumlrper dehnen sich beim Erwaumlrmen aus und ziehen sich bei Abkuumlhlung wieder
zusammen Der Ausdehnung wirken die Kohaumlsionskraumlfte entgegen Festkoumlrper dehnen sich
daher nur wenig aus (zu starke Kohaumlsionskraumlfte) Fluumlssigkeiten dehnen sich staumlrker aus und
Gase weisen die groumlszligte Ausdehnung auf
Anmerkung Zu dieser Thematik gibt es einige leichte Grundversuche die nun im folgenden
aufgezeigt werden
1 Versuch Laumlngenausdehnung fester Stoffe - Lehrerversuch
Ein Bleistab wird an einem Ende fest eingespannt am anderen Ende liegt er auf einer Rolle
auf Die Spitze des Stabs beruumlhrt den Zeiger eines Messgeraumlts (wie in Abb 2a gezeigt)
Nach dem der Stab justiert wurde stellt man ein paar Kerzen unter den Stab und beobachtet
den Zeiger
Abb 1
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-7-
Was wird passieren Der Bleistab wird erwaumlrmt und dehnt sich dabei aus Dadurch wird der
Zeiger des Messgeraumlts verschoben und die Ausdehnung wird sichtbar gemacht (siehe Abb
2b)
Anmerkung Bei einer Temperaturerhoumlhung um 1 degC dehnt sich ein 1 Meter langer Bleistab
um 0029 mm aus
2 Versuch Ausdehnung von Fluumlssigkeiten
Man fuumlllt einen Kolben bis zum Rand mit Wasser (siehe Abbildung 3) Danach stellt man den
Bunsenbrenner unter die Apparatur und beobachtet das Steigrohr
Was wird passieren Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Steigrohr
sichtbar auf
3 Versuch Ausdehnung von Gasen
Nun haben wir gesehen was mit einer Fluumlssigkeit und einem Festkoumlrper geschieht wenn man
ihn erwaumlrmt Wie verhaumllt sich aber ein Gas bei Erwaumlrmung
Im naumlchsten Versuch stuumllpt man einen Luftballon uumlber die Oumlffnung eines Glaskolbens
Wiederum stellt man einen Bunsenbrenner unter den Kolben und beobachtet den Luftballon
Was wird passieren
Auch die Luft im Kolben wird sich ausdehnen und somit den Luftballon bdquoaufblasenldquo (siehe
Abbildung 4)
Abb 2a Abb 2b
Abb 3
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-8-
Zum Vergleich ndash Zusammenfassung der beschriebenen Versuche
Beim Erwaumlrmen von 0 degC auf 100 degC dehnt sich
a) ein 1 Meter langer Bleistab um 29 mm aus
b) 1 Liter Wasser um rund 20 cmsup3 aus
c) 1 Liter Luft (wie alle anderen Gase auch da bei allen Gasen praktisch keine
Kohaumlsionskraumlfte herrschen) um 366 cmsup3 aus
Anmerkung Wird ein Koumlrper erhitzt so verringert sich dadurch seine Dichte Umgekehrt
allerdings gilt Kuumlhlt man einen Koumlrper ab so erhoumlht sich seine Dichte
Die Anomalie des Wassers
Wie wir gerade gelernt haben wird das Volumen eines Koumlrpers kleiner wenn er abkuumlhlt und
somit wird seine Dichte groumlszliger (die Teilchen im Koumlrper liegen enger beieinander und koumlnnen
sich nicht mehr so viel bewegen)
Das stimmt aber nicht immer Wasser bzw Eis (gefrorenes Wasser) stellen eine Ausnahme
dar Das Eis muumlsste eigentlich schwerer sein als das Wasser und bei einem zugefrorenen See
nach unten sinken Wie wir aber in der Natur sehen koumlnnen schwimmt Eis auf Wasser
Diesen Effekt bezeichnet man als die Anomalie (Abweichung von der Regel) des Wassers
Dieser Effekt beruht darauf dass sich Wasser in der Naumlhe des Gefrierpunktes anders verhaumllt
als alle anderen Stoffe oder Koumlrper Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Die Dichte des
Wasser ist groumlszliger als die Dichte des Eises und deshalb schwimmt es
Die Anomalie des Wassers
Wasser nimmt bei 4 degC den kleinsten Raum ein es hat also bei 4 degC seine groumlszligte Dichte
Bei einer Abkuumlhlung unter 4 degC und bei einer Erwaumlrmung uumlber 4 degC dehnt sich das Wasser
jedoch aus
Abb 4
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-9-
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung warum Eis auf Wasser schwimmt wuumlrde Schuumller der
Unterstufe uumlberfordern denn dieser Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der
Wasserteilchen im Eiskristall
Stoff der 3 Klasse
24 Waumlrmeenergie
Der deutsche Arzt Robert Mayer (1814 ndash 1871) entdeckte dass Waumlrme eine Form von
Energie ist JP Joule bestaumltige Roberts Aussagen dann experimentell
Wie bereits in der 2 Klasse gelernt wurde haumlngt die Bewegung der Teilchen im Inneren eines
Koumlrpers von der Temperatur ab Man muss dem Koumlrper Waumlrme (also Energie) zufuumlhren
wenn sich die Teilchen schneller bewegen sollen Die zugefuumlhrte Energie wird dazu
verwendet die Bewegungsenergie der Teilchen zu erhoumlhen In der Teilchenbewegung steckt
also Energie und diese Energie bezeichnet man als INNERE ENERGIE (Waumlrmeenergie)
Man kann also sagen Die innere Energie eines Koumlrper ist also umso groumlszliger je houmlher seine
Temperatur ist
Die Einheit der Waumlrmeenergie Q ist das Joule (J)
25 Die Uumlbertragung der Waumlrmeenergie
Waumlrmeleitung ndash Versuch
Ein Metallstab (zB aus Aluminium) wird wie in Abbildung 5 zu sehen ist mit dem einen
Ende in eine Kerzenflamme gehalten Nach einiger Zeit wird auch das mit der Hand
festgehaltene Ende des Stabs warm Die Kerze fuumlgt dem Stab Waumlrme zu und dadurch
beginnen die Teilchen des Stabs heftig zu schwingen (sie bleiben dabei aber auf ihrem Platz)
Sie stoszligen dabei auch ihre Nachbarn an die in Folge dessen auch anfangen zu schwingen
Auch die Nachbarn regen ihre weiteren Nachbarn zur Schwingung an und so weiter und so
fort Die Bewegungsenergie der Teilchen wird also durch die Waumlrmezufuhr (Energiezufuhr)
erhoumlht und diese Energie wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergegeben bis die Waumlrme
schlieszliglich bdquodie Hand erreichtldquo
Man sagt Die Waumlrme wird durch den Stab geleitet und man spricht von Waumlrmeleitung
Abb 5
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-10-
Zum Vergleich haumllt man anschlieszligend noch einen Glasstab in die Kerzenklamme und man
kommt zu dem Schluss
Metalle sind gute Waumlrmeleiter Nichtmetalle (Glas) sind schlechte Waumlrmeleiter Fluumlssigkeiten
und Gase sind ebenfalls schlechte Waumlrmeleiter
Waumlrmestroumlmung ndash Versuch
Man bastelt aus Papier eine Spirale so wie es in Abbildung 6 zu sehen ist Danach haumllt man
eine Lampe oder besser noch eine Kerze unter die Spirale
Was wird passieren Antwort Die Spirale beginnt sich zu drehen
Die Spirale beginnt sich zu drehen weil die Kerze die Luft um sich herum erwaumlrmt Diese
erwaumlrmte Luft beginnt nach oben zu steigen Dabei entsteht ein Miniaturwind der die Spirale
in Bewegung versetzt wie der richtige Wind ein Windrad
Die Spirale dreht sich nur weil ihre Form dies zulaumlsst Hier kann die Waumlrme wieder nach
oben weiter entweichen
Wird Waumlrme durch das Stroumlmen von warmer Luft (oder warmen Wasser) transportiert so
spricht man von Waumlrmestroumlmung
Waumlrmestrahlung ndash Versuch
Man haumllt die Hand einige Zeit uumlber eine eingeschaltete Lampe Man spuumlrt wie es langsam
waumlrmer wird
Abb 6
Abb 7
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-11-
Die Waumlrme breitet sich im Raum durch die unsichtbare Waumlrmestrahlung aus
Diese Strahlung geht von einem heiszligen Koumlrper aus und zum Transport der Waumlrme ist im
Gegensatz zur Waumlrmestroumlmung und zur Waumlrmeleitung keine Materie notwendig
Waumlrmestrahlung findet man auch im Vakuum
Nimmt ein Koumlrper Waumlrmestrahlung auf so erhoumlht sich die Bewegungsenergie seiner
Teilchen Der Koumlrper wird dadurch erwaumlrmt Er hat die Waumlrmeenergie absorbiert
Durchdringen die Waumlrmestrahlen einen Koumlrper zum Beispiel eine Glasscheibe (Fenster) so
tritt keine Erwaumlrmung auf Reflektiert der Koumlrper die Strahlung so erwaumlrmt er sich nur
schwach doch absorbiert er hingegen die Strahlung so erwaumlrmt er sich merklich
26 Waumlrmeenergie und Zustandsaumlnderungen von Stoffen
Wie wir schon gesehen haben gibt es feste fluumlssige und gasfoumlrmige Stoffe Diese 3
Erscheinungsformen von Koumlrpern nennt man auch Aggregatzustaumlnde Ein Stoff kann unter
bestimmten Umstaumlnden zwischen diesen Aggregatzustaumlnden wechseln Es gibt
unterschiedliche Bezeichnungen fuumlr die jeweiligen Uumlbergaumlnge zwischen den
Aggregatzustaumlnden Schmelzen Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren
Verfestigen
Das naumlchste Diagramm soll die moumlglichen Aggregatzustandsaumlnderungen veranschaulichen
Schmelzen
Um Eis zu Schmelzen ist Energie noumltig Eis schmilzt bei 0 degC Fuumlhrt man dem Eis Waumlrme zu
so steigt die Temperatur des Eises nicht weiter an Die gesamte zugefuumlgte Waumlrmeenergie wird
dazu verwendet um das Eis in Wasser umzuwandeln Das Eis geht vom festen Zustand in den
fluumlssigen uumlber und wird somit zu Wasser
Als Schmelzwaumlrme bezeichnet man jene Waumlrmeenergie die notwendig ist um 1 kg eines
Stoffes zu schmelzen
Abb 8
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-12-
Durch die Waumlrmezufuhr beim Schmelzen wird die innere Energie des Koumlrpers erhoumlht Die
Bewegungsenergie der Teilchen nimmt zu Sie bewegen sich heftiger und dadurch werden die
Kohaumlsionskraumlfte geringer Die Koumlrper geht somit vom festen Zustand in den fluumlssigen
Aggregatzustand uumlber
Erstarren
Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen Erstarrt ein Stoff so wird
Erstarrungswaumlrme abgegeben Diese Erstarrungswaumlrme ist gleich groszlig wie die
Schmelzwaumlrme
Die Bewegungsenergie der Teilchen wird durch die Energieabgabe geringer Sie werden
wieder an einen festen Platz gebunden und der fluumlssige Stoff ist uumlbergegangen in den festen
Zustand
Verdampfen
Den Uumlbergang vom fluumlssigen Zustand in den gasfoumlrmigen bezeichnet man als Verdampfen
Nun unterscheidet man aber noch zwischen Sieden und Verdunsten Findet das Verdampfen
an der Oberflaumlche statt und unter halb des Siedepunktes so spricht man von Verdunstung
Erfolgt der Aggregatzustandswechsel hingegen am Siedepunkt so spricht man vom Sieden
Um eine Fluumlssigkeit zum Sieden zu bringen ist Energie noumltig Siedet eine Fluumlssigkeit so wird
die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen verwendet Die Temperatur der Fluumlssigkeit
steigt waumlhrend des Verdampfungsvorgangs nicht weiter an
Die Waumlrmeenergie die man benoumltigt um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen wird auch
als Verdampfungswaumlrme bezeichnet
Ein Beispiel fuumlr das Sieden Wasser kocht in einem Topf das heiszligt es steigen Blasen auf Die
Temperatur des Wassers betraumlgt annaumlhernd 100 degC und es beginnt zu Verdampfen was
anhand des aufsteigenden Wasserdampfs zu sehen ist
Ein Beispiel fuumlr das Verdunsten Waumlsche wurde zum Trocknen auf die Leine gehaumlngt Sie
trocknet indem das Wasser verdunstet
Wie kann man das Verdunsten beschleunigen
Je houmlher die Temperatur der Fluumlssigkeit ist und je groumlszliger die Oberflaumlche der Fluumlssigkeit desto
schneller verdunstet sie
Anmerkung Bei vermindertem Druck auf eine Fluumlssigkeit wird das Austreten der
Fluumlssigkeitsteilchen erleichtert der Siedepunkt wird herabgesetzt und die Fluumlssigkeit siedet
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-13-
bereits unter dem Siedepunkt Bei erhoumlhten Druck auf eine Fluumlssigkeit hingegen wird das
Austreten der Fluumlssigkeitsteilchen erschwert der Siedepunkt wird erhoumlht und die Fluumlssigkeit
siedet erst bei houmlheren Temperaturen
Kondensieren
Das Kondensieren ist der komplementaumlre Vorgang zum Verdampfen Die Teilchen geben
einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Umgebung ab und bewegen sich infolgedessen
langsamer Die Kohaumlsionskraumlfte werden staumlrker und der gasfoumlrmige Koumlrper geht in den
fluumlssigen Zustand uumlber
Die beim Kondensieren freiwerdende Waumlrme bezeichnet man auch als Kondensationswaumlrme
Sie ist gleich groszlig wie die Verdampfungswaumlrme
Sublimieren
Sublimieren bezeichnet den Uumlbergang von festen in den gasfoumlrmigen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber ausgelassen
Resublimieren (Verfestigen)
Verfestigen bezeichnet den Uumlbergang von gasfoumlrmigen in den festen Zustand Der fluumlssige
Zustand wird bei diesem Uumlbergang aber wiederum ausgelassen
Bei den beiden eben beschriebenen Aggregatuumlbergaumlngen wird einerseits Energie benoumltigt
(Sublimationswaumlrme) andererseits Energie frei (Verfestigungsenergie) Beide Energiebetraumlge
sind gleich groszlig
III Die Versuche
Anmerkung Die folgenden Versuchsbeschreibungen dienen dem Lehrer als Loumlsungen zu den
Arbeitsblaumlttern im Anhang
31 Das Thermometermodell
Ein einfacher Versuch zu Beginn
Anmerkung fuumlr den Lehrer Damit die Schuumller sehen was mit Stoffen passiert wenn man
ihnen Waumlrme zufuumlhrt wird gefaumlrbtes Wasser erhitzt und die Ausdehnung der Fluumlssigkeit
beobachtet Dasselbe geschieht auch mit dem Quecksilber oder mit dem gefaumlrbten Alkohol in
einem Thermometer
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-14-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Der Erlenmeyerkolben wird bis obenhin mit Wasser gefuumlllt Danach versetzt man das Wasser
noch mit einem Faumlrbemittel Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen
gesteckt wird wird der Kolben verschlossen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet sollte man die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas anfeuchten
Danach markiert man mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend wird der Bunsenbrenner unter die Apparatur gestellt und entzuumlndet Man
erwaumlrmt das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichnet erneut den neuen Fluumlssigkeitsstand am
Roumlhrchen an Danach schaltet man den Brenner aus und beobachtet die Wassersaumlule noch
eine zeitlang
Physikalische Erklaumlrung
Das Wasser dehnt sich beim Erwaumlrmen aus und steigt im Glasroumlhrchen nach oben Da die
Teilchen des Wasser sich nun heftiger bewegen benoumltigen sie auch mehr Platz
Beim Abkuumlhlen zieht sich das Wasser wieder zusammen Die Teilchen bewegen sich
langsamer und die Wassersaumlule sinkt
Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
32 Die Eichung einer Thermometerskala
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch lernen die Schuumller wie man den Eispunkt
und denn Siedepunkt einer Fluumlssigkeit bestimmt
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer
Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Ein Becherglas wird zunaumlchst mit Eisstuumlcken gefuumlllt und ein ungraduiertes Thermometer hin-
Abb 9
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-15-
eingesteckt Man wartet nun solange bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht
weiter veraumlndert und markiert anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Der Eispunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Nun entfernt man das Thermometer aus dem Eisbad Dann wird ein Becherglas wird mit
Wasser gefuumlllt und auf ein Waumlrmeschutznetz gestellt Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt
man das Wasser solange bis es beginnt zu sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des
Thermometers nicht mehr so wird die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule markiert Der Siedepunkt
wurde somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Um ein graduiertes Thermometer zu erhalten beschriftet man den ermittelten Eispunkt mit 0
degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC Danach misst man den Abstand zwischen
diesen beiden Punkten und teilt ihn in 10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch
auf dem Thermometer vermerkt und das Thermometer ist perfekt
Erkenntnis
Eis hat eine Temperatur von 0 degC und Wasser siedet bei 100 degC Ein Celsius ist der hunderste
Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
33 Der Bimetallstreifen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird experimentell gezeigt dass sich
verschiedene Materialien (hier Metalle) bei Erwaumlrmung unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Abb 10
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-16-
Versuchsgang
Der Bimetallstreifen wird vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner gehalten Der Abstand Brenner
ndash Streifen sollte dabei min 10 cm betragen Nun wird das Verhalten des Bimetallstreifens
beobachtet
Anschlieszligend wird der Brenner entfernt und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich langsam ab
Wiederum wird beobachtet wie sich der Streifen beim Abkuumlhlen verhaumllt
Tipp Man fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings dreht man dabei den
Bimetallstreifen um Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Physikalische Erklaumlrung
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen aufeinandergeklebten
Metallschichten Erwaumlrmt man nun einen solchen Streifen dehnen sich die Metalle unter-
schiedlich stark aus und der Bimetallstreifen verbiegt sich (siehe Abbildung 11)
Der Bimetallstreifen biegt sich nach oben
34 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch sehen die Schuumller dass sich unterschiedliche
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen auch unterschiedlich stark ausdehnen
Verwendete Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2
Glasroumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll gefuumlllt Danach
steckt man die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die Reagenzglaumlser mit
Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die
Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen Mit einem
Wachsstift wird nun der Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen markiert
Nun werden die Reagenzglaumlser in eine geeignete Halterung gespannt und in ein mit Wasser
Abb 11
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-17-
gefuumllltes Becherglas getaucht (siehe Abbildung 12) Die ganze Apparatur wird auf ein
Waumlrmeschutznetz gestellt und der darunter stehende Brenner wird anschlieszligend entzuumlndet
Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden Fluumlssigkeiten in den
Reagenzglaumlsern
Man beobachtet nun wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern
Physikalische Erklaumlrung
Wie bei den anderen Versuchen auch dehnen sich die Fluumlssigkeiten in den Glaumlsern aus Das
es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten handelt dehnen sie sich auch unterschiedlich aus Man
erkennt dass sie das Duftpetroleum staumlrker ausdehnt als das Wasser (siehe Abbildung 12)
Auch bei diesem Versuch kann man wieder so argumentieren dass sich die Teilchen der
Fluumlssigkeiten beim Erwaumlrmen schneller bewegen und damit auch mehr Platz benoumltigen Sie
wandern also im Reagenzglas noch oben
35 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Anmerkung fuumlr den Lehrer Hier lernen die Schuumller dass sich auch Gase ausdehnen Bei
diesem Versuch wird das Gas Luft verwendet
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch
Glasroumlhrchen Bunsenbrenner
Abb 12
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-18-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Das Glasroumlhrchen wird durch einen Gummistopfen gesteckt und anschlieszligend der
Erlenmeyerkolben damit abgedichtet Am anderen Ende des Glasroumlhrchens wird der
Gummischlauch angebracht dessen freies Ende in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas
eingetaucht ist wie es die Abbildung 13 demonstriert
Nun wird diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner gestellt und der Brenner entzuumlndet Das
Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach wird der Brenner entfernt und man beobachtet das Becherglas weiterhin
Physikalische Erklaumlrung
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
36 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch eignet sich nicht fuumlr die Unterstufe da hierbei der
Druck eine wesentliche Rolle spielt Das Thema Druck im Zusammenhang mit Waumlrme wird
in der Unterstufe lediglich gestreift Erst in der Oberstufe (6 Klasse) wird dieses Thema naumlher
erlaumlutert Aufgrund der Vollstaumlndigkeit wird dieser Versuch dennoch angefuumlhrt
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen
2 Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Abb 13
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-19-
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Wie man der Abbildung entnehmen kann werden 2 von den 3 Glasroumlhrchen mit einem kurzen
Schlauch verbunden Diese Vorrichtung bildet ein Manometer Nun wird in dieses Miniatur-
manometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis knapp uumlber den Rand der Manometer-
rohre In das leere Kalorimeter wird nun soviel Wasser eingelassen das der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Der Erlenmeyerkolben wird mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer verbunden Mit
einem Wachsstift zeichnet man den Fluumlssigkeitsstand im Manometer an
Wichtige Messung Die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter wird gemessen
Nachdem man die Temperatur bestimmt hat erwaumlrmt man das Wasser im Kolben um 4 degC
Dabei sollte man allerdings vorsichtig vorgehen das die Temperatur auch noch etwas weiter
steigt nachdem der Brenner wieder abgeschaltet wurde
Wichtige Messung Nun wird die neue waumlrmere Temperatur T2 bestimmt
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennt man daran da das gefaumlrbte
Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da man den Versuch aber bei
gleichbleibenden Luftvolumen durchfuumlhren soll wird nun der eine Manometerarm solange
angehoben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein der gemessen
wird
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
In der Auswertung dividiert man diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung
T2 ndash T1 und erhaumllt dadurch den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius Da 1 cm Wassersaumlule
Abb 14
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-20-
einem Druck von etwa 1 Millibar entspricht kann man nun die Druckerhoumlhung durch die
erfolgte Erwaumlrmung in Millibar angeben
Loumlsung Die Druckerhoumlhung sollte in etwa 4 Millibar betragen
37 Waumlrmeleitung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von zwei
unterschiedlichen Feststoffen (hier Metalle) untersucht
Verwendete Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung 15) Kerze oder
Bunsenbrenner 6 Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Mit Hilfe von kleinen Wachskugeln werden 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1 Eurocent-
Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen Metallstab geklebt Der
Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen Seite aus Aluminium
(siehe Abbildung 15) Nachdem die Muumlnzen justiert wurden wird eine brennende Kerze unter
den Metallstab geschoben
Physikalische Erklaumlrung
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei unterschiedlichen
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut geleitet Aluminium ist ein
besserer Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil auch
schneller aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und die Muumlnzen
Abb 15
Abb 16
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-21-
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die schlechtere Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen enger beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu Teilchen
leichter besser und schneller uumlbertragen
38 Waumlrmestroumlmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Es gibt keinen anschaulicheren Versuch zum Thema
Waumlrmestroumlmung als den folgenden Hierbei wird gezeigt dass warme Fluumlssigkeit aufsteigt
und wenn sie wieder abkuumlhlt nach unten sinkt
Verwendete Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum faumlrben des Wassers
Bunsenbrenner Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Rechtecksrohr wird randvoll mit Wasser gefuumlllt Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten Danach wird das Rohr links und rechts in ein Stativ eingespannt (siehe
Abbildung 17) Alsdann entzuumlndet man den Brenner und stellt in an einer ummantelten
geschuumltzten Stelle unter das Rechtecksrohr Es entsteht ein Wasserkreislauf Das erwaumlrmte
Wasser steigt aufgrund der Dichteabnahme (bdquoes wird leichterldquo) nach oben das abkuumlhlende
Wasser hingegen stroumlmt nach unten da dessen Dichte (bdquoes wird schwererldquo) wieder zunimmt
Diesen Kreislauf kann man nun mit einem geeigneten Farbzusatz sichtbar machen Man
nehme eine Messerspitze Kaliumpermanganat und schuumltte es in die Rohroumlffnung Das
Kristallpulver loumlst sich auf und wird mit dem Wasser im Kreis transportiert
Die naumlchste Abbildung zeigt qualitativ den eben beschriebenen Wasserkreislauf
Abb 17
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-22-
39 Waumlrmestrahlung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird die Absorption von Waumlrmestrahlung
demonstriert
Verwendete Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze
Aluminiumkappe Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Wie in unten stehender Abbildung 18 zu sehen ist werden zwei Thermometer jeweils an
einem Stativ befestigt Am unteren Ende des einen Thermometers wird eine weiszlige
Aluminiumkappe befestigt am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe Genau
in die Mitte zwischen den Stativen wird ein brennender Bunsenbrenner platziert
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest man die Temperatur auf beiden
Thermometern ab
Physikalische Erklaumlrung
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine houmlhere Temperatur an als
das andere Thermometer Es hat also mehr Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen nimmt einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung in sich auf
Anmerkung Eine genauere Erklaumlrung weshalb dunkle Koumlrper Strahlen besser absorbieren
wuumlrde zu weit fuumlhren Erst in der Oberstufe waumlre es unter Umstaumlnden moumlglich diesen
Vorgang genauer zu analysieren
310 Waumlrmedaumlmmung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Dieser Versuch zeigt die Unterschiedliche Daumlmmwirkung von
unterschiedlichen Materialien auf
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styropor-
einsatz Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Abb 18
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-23-
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Im Becherglas werden zunaumlchst mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC erhitzt
Nach Abschalten des Brenners werden vorsichtig 100 ml Wasser in den Styroporeinsatz des
Kalorimeters geschuumlttet Die restlichen 100 ml Wasser werden hingegen in einen
Aluminiumbecher geleert In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Nun
wird die Abkuumlhlung des Wassers verfolgt In 2 Minutentakten werden die Temperaturen der
Thermometer abgelesen und notiert
Physikalische Erklaumlrung
Das Styropor ist ein besserer Waumlrmedaumlmmstoff als das Aluminium Die Waumlrme im
Styroporbecher bleibt laumlnger gespeichert bzw entweicht langsamer Das Aluminium hingegen
leitet (Aluminium ist ein sehr guter Waumlrmeleiter - siehe Waumlrmeleitungsversuch) die Waumlrme
schnell noch auszligen und gibt die Waumlrme an die Umgebung ab
Die Temperatur im Aluminiumbecher sinkt also schneller
Anmerkung Mehr zum Thema Daumlmmung siehe im Anhang
311 Mischtemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird einmal die Mischtemperatur zweier
gleichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt und einmal wird die Mischtemperatur zweier
unterschiedlichen Fluumlssigkeitsmengen bestimmt
Verwendete Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau (siehe Abbildung 20) und Versuchsgang
Im Erlenmeyerkolben werden zunaumlchst 50 ml Wasser erhitzt Waumlhrenddessen werden
ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter eingefuumlllt Wenn das Wasser im
Abb 19
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-24-
Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist wird es zum kalten Wasser
im Kalorimeter hineingeleert
Nun wird die Mischung umgeruumlhrt und die Mischtemperatur am Thermometer abgelesen
Wichtige Messungen - Tabelle erstellen
Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt Allerdings werden jetzt nicht 50 ml
Wasser auf circa 70 degC erwaumlrmt sondern lediglich 40 ml In das Kalorimeter werden anstatt
50 ml Wasser nun 80 ml Wasser eingefuumlhlt Wiederum wird die Mischtemperatur T bestimmt
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle erstellt
Ein Messbeispiel
1 Versuch 50 ml kaltes und 50 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 73 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 425 degC
2 Versuch 80 ml kaltes und 40 ml warmes Wasser
Temperatur T1 des warmen Wassers 71 degC
Temperatur T2 des kalten Wassers 14 degC
Mischtemperatur T (gemessen) 31 degC
Man sieht im 1 Versuch dass gilt Mischtemperatur T frac12 ( 71 degC + 14 degC) = 435 degC
(=Mittelwert der beiden Temperaturen T1 und T2) Beim zweiten Versuch gilt dieser
Zusammenhang allerdings nicht
Abb 20
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-25-
Das fuumlr zu folgenden Schluss Bei der Mischung von heiszligen und kalten Wasser stellt sich nur
bei gleichen Wassermengen der Mittelwert der beiden Temperaturen ein
Es gilt folgender Zusammenhang zwischen den Wassermengen und den jeweiligen
Temperaturen
m1T1 + m2T2 = (m1 + m2)T
m1 Masse des kalten Wassers
T1 Temperatur des kalten Wassers
m2 Masse des warmen Wassers
T2 Temperatur des warmen Wassers
T Mischtemperatur
Anmerkung Zusatzinformation In diesem Versuch wurden gleiche Stoffe naumlmlich Wasser
gemischt Mischt man aber unterschiedliche Stoffe so gilt eine andere Formel Diese Formel
enthaumllt die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der zu mischenden Stoffe
c1 m1T1 + c2 m2T2 = (m1 + m2)T
c1 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m1
c2 Waumlrmekapazitaumlt der Masse m2
312 Spezifische Waumlrme von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die spezifische Waumlrme von Wasser
bestimmt - Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe
das Thema spezifische Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Verwendete Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 21
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-26-
In das Kalorimeter werden zunaumlchst 100 ml Wasser eingefuumlllt Nun wird die Heizspirale des
Kalorimeters in das Wasser eingesteckt und an die 9V Stromversorgung angeschlossen Die
Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet Damit man den Strom messen kann
wird ein Amperemeter in Reihe zum Kalorimeter geschaltet und damit man die Spannung
messen kann wird ein Voltmeter parallel zum Kalorimeter geschaltet Mit Hilfe des
Thermometers im Kalorimeter wird die Temperatur des kalten Wassers bestimmt und notiert
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Nun wird die Stromversorgung eingeschaltet und die Stoppuhr in Betrieb gesetzt Waumlhrend
des Versuchs wird die Spannung und die Stromstaumlrke abgelesen und notiert Das Wasser wird
nun genau 200 Sekunden lang erwaumlrmt Nach Ablauf der Zeit wird das Wasser mit Hilfe eines
Ruumlhrers durchmischt und die Endtemperatur bestimmt und notiert
Auswertung
Anmerkung Statt 100 ml Wasser haben wir bei unserem Versuch 800 ml Wasser verwendet
Bei unserem Versuch haben wir auszligerdem auch kein Netzgeraumlt mit 9 V und kein Kalorimeter
verwendet sondern wir haben einen Tauchsieder an die Steckdose (liefert bekanntlich 230 V
Wechselspannung) angeschlossen
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers 08 kg
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I 47 A
Spannung U 230 V
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1 24 degC
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2 53 degC
Die Temperaturerhoumlhung waumlhrend des Versuchs betrug also 72 degC
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I und der
Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Mit unseren Daten ergibt sich somit ein Wert von W = 230 V 47 A 200 s = 216200 J Das
bedeutet nun dass wir 207000 Joule zufuumlhren mussten um das Wasser um 72 degC zu
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-27-
erwaumlrmen Nun bildet man den Quotienten C
J72
207000 = 3003 JdegC Das heiszligt dass man
3003 JdegC zufuumlhren muss um 08 kg um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist jene
Energie die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen In unserem Fall ist dies
Schreibt man es in einem Verhaumlltnis an so erhaumllt man
08 kg 3003 JdegC = 1 kg x x = kg08
CJ3003 37535 JkgdegC
Das heiszligt wir erhalten fuumlr die spezifische Waumlrme von Wasser einen Wert von 37535 JkgdegC
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Das diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Hier nur ein paar Fehlerquellen
1) Die Heizwendel war waumlhrend des Versuchs nicht vollstaumlndig mit Wasser bedeckt und
somit ist ein Teil der Waumlrme an die Umgebung und nicht an das Wasser abgegeben
worden
2) Wenn man den Wert genau berechnen moumlchte muumlsste man die spezifische Waumlrme des
Kalorimeters ebenfalls beruumlcksichtigen (erfolgte in obiger Rechnung nicht)
Tipp Der Lehrer sollte diese Fehlerquellen mit den Schuumllern besprechen
313 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird mit Hilfe der spezifischen Waumlrme
bestimmt aus welchem Material das Versuchsobjekt besteht
Verwendete Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
unbestimmte Masse (Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Abb 22
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-28-
Als erstes wird die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage gewogen und so das
Gewicht bestimmt Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas wird nun auf etwa 80 degC erhitzt Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt
wird fuumlllt man zirka 300 ml kaltes Wasser in ein Kalorimeter (Temperatur T1 des Wassers
messen) Nachdem die Endtemperatur T2 von 80degC erreicht worden ist wird der Brenner
ausgeschaltet und das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durchmischt Anschlieszligend wird die
genaue Temperatur gemessen und notiert
Das heiszlige Versuchsobjekt wird nun aus dem Becherglas genommen (VORSICHT heiszlig) und
in das Kalorimeter gegeben Nach einigen Minuten misst man die Mischtemperatur T im
Kalorimeter
Auswertung anhand eines Beispiels
Masse m des Versuchsobjekt 95 g
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter 25 degC
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt 85 degC
Mischtemperatur T 27 degC
Jetzt setzt man diese Werte in die folgende spezifische Waumlrmekapazitaumltsformel ein
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Damit ergibt sich fuumlr die spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
184)2785(0950
)2527(302
c 0455 kJkg degC
Vergleicht man mit dem Tabellenwert von Eisen (04603 kJkg degC) so erkennt man dass das
verwendete Versuchsobjekt aus Eisen bestehen muss
314 Schmelztemperatur
Anmerkung fuumlr den Lehrer Wie die Uumlberschrift schon verraumlt wird in diesem Versuch die
Schmelztemperatur bzw der Schmelzpunkt eines festen Stoffes untersucht
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-29-
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Becherglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingestecktem
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat Zeigt das Thermometer in etwa 40 degC an beginnt das
Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases zu schmelzen Die Temperatur steigt nun nur
noch langsam an Bei ungefaumlhr 48 degC liegt der Schmelzpunkt des Natriumthiosulfats Die
Temperatur steigt nicht mehr weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme (und somit
Energie) dazu verwendet wird das Natriumthiosulfat zu schmelzen Erst wenn das
Natriumthiosulfat vollstaumlndig geschmolzen ist (es ist vom festen Aggregatzustand in den
fluumlssigenuumlbergegangen) beginnt die Temperatur wieder zu steigen
315 Kaumlltemischung
Anmerkung fuumlr den Lehrer Bei diesem Versuch wird demonstriert warum Salz im Winter
die vereisten Straszligen wieder auftaut
Verwendete Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Abb 23
Abb 24
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-30-
Versuchsgang und Erklaumlrung
Etwa zu einem Drittel fuumlllt man das Becherglas mit Eisstuumlcken an und steckt das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum von Eis
umgeben ist Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der
Schmelzpunkt von Eis
Nun gibt man etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtet die
Thermometeranzeige
Was passiert Die Temperatur der Kaumlltemischung sinkt da das Salz den Schmelzpunkt
hinabsetzt Das Salz wird im Wasser geloumlst Dieser Vorgang erfordert Waumlrme und diese wird
somit dem Eis entzogen Folge Das Eis schmilzt
316 Erstarrungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer Beim Uumlbergang vom fluumlssigen in den festen Aggregatzustand
geben Stoffe Waumlrme ab Dieser Effekt wird nun demonstriert
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer
Natriumthiosulfat Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe 314 Schmelztemperatur
Versuchsgang und Erklaumlrung
Zuerst muss das feste Pulver Natriumthiosulfat verfluumlssigt werden
Das Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat gefuumlllt Anschlieszligend wird das
Reagenzglas halbvoll mit Wasser angefuumlllt Das Reagenzglas (mit hineingesteckten
Thermometer) wird nun aufrecht in das Becherglas gestellt Diese Apparatur platziert man
nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Nun entzuumlndet man den Brenner und erwaumlrmt damit das Wasser im Becherglas und somit
auch das Natriumthiosulfat (bis auf 55 degC erwaumlrmen) Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nun nimmt man das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und laumlsst es wieder
abkuumlhlen Man fuumlgt einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat bei
damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Was beobachtet man Die Temperatur der Mischung steigt an da beim Erstarren die
sogenannte Erstarrungswaumlrme frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende
Schmelzwaumlrme Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch
spuumlren Die abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang zugefuumlhrt
werden muss (siehe Kapitel II - Grundlagen)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-31-
317 Siedetemperatur von Wasser
Anmerkung fuumlr den Lehrer Nun wird der Siedepunkt von Wasser mit dem Siedepunkt einer
Salzloumlsung verglichen
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang und Erklaumlrung
Das Becherglas wird mit 100 ml Wasser gefuumlllt und anschlieszligend auf dem Waumlrmeschutznetz
platziert
Nun erwaumlrmt man das Wasser bis es siedet und beobachtet bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des Wasser nicht
weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des Wassers benoumltigt wird
Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC Jetzt gibt man dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Das Wasser houmlrt auf zu sieden da das Salz den Siedepunkt nach oben
verschiebt Die Temperatur steigt an und die Wasser-Salz-Loumlsung beginnt erst uumlber 100 degC zu
sieden
318 Verdampfungswaumlrme
Anmerkung fuumlr den Lehrer In diesem Versuch wird die Verdampfungswaumlrme von Wasser
bestimmt Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu
kompliziert fuumlr einen Unterstufenschuumller ist
Verwendete Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau siehe Versuch 317 Siedetemperatur von Wasser
Versuchsgang
Ein Becherglas wird mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser gefuumlllt Nun erhitzt man das Was-
Abb 25
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-32-
ser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe eines Bunsenbrenners In dem
Moment wo die Waumlrmezufuhr beginnt schaltet man die Stoppuhr ein Die Brennerflamme
dar nun nicht mehr veraumlndert werden damit eine das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgt man alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser siedet Sobald
der Siedepunkt erreicht ist entfernt man das Thermometer und notiert den Zeitpunkt Das
Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen Danach dreht man den Brenner ab
und bestimmt die Masse m1 des verdampften Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches
MINUS der nach dem Verdampfen noch vorhandenen Masse des Wassers)
Auswertung anhand eines Beispiels
Als erstes ermittelt man die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelt man zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser in 4 Minuten (liest man aus der
waumlhrend des Versuchs erstellten Tabelle ab)
Bei unserem Versuch betrug die durchschnittliche Temperaturerhoumlhung T = 62 degC in
4 Minuten
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Mit dieser Formel ergibt sich bei uns ein Wert von P = 10814 Watt Aus der Zeitdauer der
Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur Verdampfung von
der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = 10814 240 = 259536 Joule
Die Masse m1 des verdampften Wasser betrug bei unserem Versuch ungefaumlhr 101 g
(=00101kg)
Aus der Masse m1 des verdampften Wassers kann man nun die zur Verdampfung von 1 kg
Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv berechnen
1057201010
625953 6
1kgJ
mWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-33-
Tipp Man sollte auf alle Faumllle den selbst ermittelten Wert mit dem Literaturwert vergleichen
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg Man sieht der oben berechnete
Wert liegt vom Literaturwert gar nicht so weit entfernt
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
IV Zusatzinformationen ndash zum Teil nur fuumlr die Oberstufe
41 Die Waumlrmepumpe
Eine Waumlrmepumpe dient zum Beheizen von Haumlusern und zur Warmwasseraufbereitung
Dabei wird der Umgebung Waumlrme entzogen und diese zur Erwaumlrmung von Waumlrmetraumlgern
(Luft Wasser) verwendet Allerdings muss dazu Energie aufgewendet werden Auf diese Art
kann die sonst technisch nicht verwertbare Waumlrme der Umgebung trotzdem noch genutzt
werden Wichtig ist auszligerdem die Verwendung eines Kaumlltemittels Das ist eine Fluumlssigkeit mit
niedrigem Siedepunkt Folgende Skizze soll den Aufbau einer solchen Waumlrmepumpe
verdeutlichen
Das Kaumlltemittel gelangt in ein Rohrsystem das sich beispielsweise im Erdboden befindet
welcher sich tagsuumlber durch die Sonneneinstrahlung erwaumlrmt hat Dazu werden in ca 130 cm
Tiefe mehrere Rohrschleifen verlegt die idealerweise in Sand oder Humus gebettet sind
Durch die Erdwaumlrme verdampft das Kaumlltemittel die dazu notwendige Verdampfungswaumlrme
wird dem Erdboden entzogen welcher sich dadurch abkuumlhlt Das Rohrsystem im Erdboden
wird daher auch als Verdampfer bezeichnet
Das nun dampffoumlrmige aber noch kalte Kaumlltemittel gelangt in einen Kompressor wo es
wieder unter Aufwendung von elektrischer Energie verdichtet und dadurch erhitzt wird Im
nachfolgenden Waumlrmetauscher wird die Waumlrme an das Wasser abgegeben das zur Beheizung
Abb 26
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-34-
des Hauses dient Das Wasser wird dabei auf 35-40degC erhitzt Mit Hilfe des Drosselventils
wird der Druck abrupt gesenkt die Temperatur des Kaumlltemittels nimmt dadurch ohne Abgabe
von Energie ebenfalls schlagartig ab Das nun kalte fluumlssige Kaumlltemittel kann nun wiederum
dem Verdampfer zugefuumlhrt werden und der Kreislauf beginnt von Neuem
Nicht immer verwendet man den Erdboden als Waumlrmequelle Man kann ebenso gut Wasser
oder Luft verwenden in denen ebenfalls Sonnenenergie gespeichert ist Bei der Verwendung
von Luft besteht allerdings das Problem dass das System bei zu niedrigen Temperaturen
(unter 3degC) nicht mehr funktioniert und so gerade im Winter nicht geheizt werden kann Ein
weiterer Nachteil besteht darin dass mehr Energie aufgewendet werden muss indem die
warme Luft mittels Ventilator dem Verdampfer zugefuumlhrt wird
Daher wird die Waumlrme fuumlr Heizzwecke dem Grundwasser das in der Regel eine Temperatur
von 7-12degC hat entzogen Bei Grundwasseranlagen sind daher zwei Brunnen notwendig
einer um das Wasser zu gewinnen (Foumlrderbrunnen) und ein anderer um das abgekuumlhlte
Wasser wieder dem Boden zuzufuumlhren (Schluckbrunnen)
Eine weitere aber viel aufwendigere Moumlglichkeit waumlre die Erdwaumlrme selbst zu nutzen Dazu
werden mehrere Bohrungen bis in eine Tiefe von 100 m gemacht und darin sogenannte
Sonden eingebracht in der eine Sole zirkuliert die die Waumlrme nach oben transportiert
Grundsaumltzlich kann man sagen dass Waumlrmepumpen eine sehr umweltfreundliche Moumlglichkeit
der Waumlrmegewinnung darstellen Mit ihrer Hilfe koumlnnen mehr als 75 der benoumltigten Energie
aus der Umwelt gewonnen werden
42 Waumlrmedaumlmmung
Durch Waumlrmedaumlmmung wird versucht Waumlrmeabgaben (Verluste) von Gebaumluden an die
aumluszligere Umgebung zu verhindern
Wie kann man nun denn Waumlrmeaustausch mit der Umgebung verringern
Verwendung von schlecht waumlrmeleitenden Baustoffen fuumlr Auszligenwaumlnde und Daumlcher
Einbau von waumlrmedaumlmmenden Fenstern Waumlrmeschutzverglasung
Vermeiden von Waumlrmebruumlcken und unkontrolliertem Luftaustausch
Mit Hilfe der Waumlrmedaumlmmung ist es moumlglich zum Bespiel die Energiekosten eines
Haushaltes zu reduzieren Schaumltzungen zufolge kann der Heizwaumlrmebedarf in einem Gebaumlude
durch Waumlrmedaumlmmung mehr als halbiert werden
Die Waumlrmeschutzverordnung wurde 2421982 erlassen Sie stellt eine Reaktion auf die
Oumllpreiskrise dar Sie schreibt fuumlr neue Gebaumlude und Umbauten an Gebaumluden bestimmte
Mindestanforderungen bei der Waumlrmedaumlmmung vor Seit Jahren wird eine drastische
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-35-
Verschaumlrfung der Waumlrmeschutzverordnung gefordert da diese in keiner Weise mehr dem
heutigen Stand der Technik entspricht So duumlrfen immer noch veraltete
Waumlrmedaumlmmungsmaterialien bei Neubauten verwendet werden obwohl schon erheblich
bessere Daumlmmmaterialien auf dem Markt zu erhalten sind
Der Energieverbrauch von Familienhaumlusern im Vergleich
Ein 100 m2 groszliges ungedaumlmmtes Einfamilienhaus Baujahr 1960 verbraucht pro Jahr ca
3700 Liter Heizoumll ein nach der Waumlrmeschutzverordnung 198284 gebautes Haus verbraucht
ca 1500 Liter und ein nach dem aktuellen Stand der Technik errichtetes Niedrigenergiehaus
nur noch etwa 500-700 Liter
Es gibt viele verschiedene Daumlmmmaterialien Diese Materialien unterliegen strengen
Sicherheitsbedingungen Insbesondere im Innenbereich von Gebaumluden koumlnnen bei der nicht
fachgerechten Verwendung von zB Mineralwolle oder anderen Faserdaumlmmstoffen
gesundheitliche Gefahren auftreten
Werden an einem Altbau nachtraumlglich Waumlrmedaumlmmungsmaszlignahmen durchgefuumlhrt so sollten
diese Maszlignahmen wenn moumlglich an der Auszligendaumlmmung vorgenommen werden
Innendaumlmmungen muumlssen sorgfaumlltiger geplant werden da ansonsten im Daumlmmbereich die
Gefahr der Schimmelpilzbildung und somit eine Verschlechterung des Raumklimas drohen
kann Auch allein schon durch das Abdichten von Fensterfugen laumlsst sich die
Waumlrmedaumlmmung meist deutlich verbessern Allerdings wird dann das Wachstum von
Schimmelpilzen gefoumlrdert wenn nicht genug geluumlftet wird Deshalb sollte man nach der
Daumlmmungsverbesserung oumlfters luumlften
43 Der k-Wert
Der Waumlrmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist ein Maszlig fuumlr den Waumlrmestrom der bei einer
Temperaturdifferenz von 1 Kelvin durch ein 1 m2 groszliges Bauteil flieszligt Die Einheit des k-
Werts ist Wm2 K
Um den Waumlrmebedarf eines Gebaumludes zu berechnen wird der k-Wert fuumlr die verschiedenen
Bauteile des Gebaumludes bestimmt und die anteiligen Waumlrmeverluste addiert Der k-Wert sollte
moumlglichst niedrig sein denn je kleiner der k-Wert um so geringere Waumlrmeverluste treten auf
Die Groumlszlige des k-Wert haumlngt von den verwendeten Baumaterialien ab genauer gesagt von
deren Waumlrmeleitfaumlhigkeit von den Bauteildicken und von den Waumlrmeuumlbergaumlngen zwischen
den verschiedenen Materialien
Jedes Baumaterial hat eine bestimmte Waumlrmeleitfaumlhigkeit Beton hat eine besonders hohe
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-36-
Waumlrmeleitfaumlhigkeit (2 WmK) und Daumlmmstoffe eine niedrige (002 bis 004 WmK) Je
niedriger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baumaterials um so besser ist seine Daumlmmwirkung
Baustoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrer Waumlrmeleitfaumlhigkeit sondern auch in ihrer
Faumlhigkeit Waumlrme zu speichern Die Waumlrmespeicherzahl gibt an wieviel Waumlrme notwendig
ist um 1 m3 eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwaumlrmen Je schwerer ein Baustoff ist desto
groumlszliger ist seine Waumlrmespeicherfaumlhigkeit Stoffe mit groszliger Waumlrmespeicherzahl benoumltigen fuumlr
ihre Erwaumlrmung viel Waumlrme und Zeit speichern dafuumlr aber groszlige Mengen Waumlrme um so
laumlnger
44 Thermografische Aufnahmen von Gebaumluden
Mit Hilfe solcher Aufnahmen wird versucht Schwachstellen in der Gebaumludeisolierung zu
finden um im Winter gezielt Waumlrmeverluste vermeiden zu koumlnnen Natuumlrlich dient es auch
dazu um im Sommer Waumlrmelecks in klimatisierten Gebaumluden zu finden also wo Waumlrme ins
Innere stroumlmt
Das Prinzip der Thermografie beruht auf der Waumlrmestrahlung jedes Koumlrpers Obwohl Waumlrme
auch eine Form von Licht ist besitzt das menschliche Auge natuumlrlich nicht die Faumlhigkeit
Waumlrme zu sehen Bei Waumlrme handelt es sich um Licht das im langwelligen Infrarotbereich
liegt Erst ab einer Temperatur von 500 degC beginnt beispielsweise ein Metall zu gluumlhen was
dann auch vom Menschen wahrgenommen werden kann
Bei der Thermografie verwendet man eine spezielle Infrarotkamera die die unterschiedlichen
Waumlrmestrahlungen aufnimmt Die Aufnahme wird dann in ein fuumlr das menschliche Auge
sichtbares Bild uumlbertragen Darin erscheinen warme Flaumlchen in Weiszlig und in verschiedenen
Rot-Toumlnungen Kuumlhlere Bereiche stellen sich hingegen in blauen bis violetten Farben dar Je
mehr weiszlige und rote Flecken ein solches Bild aufweist desto groumlszliger ist der Waumlrmeverlust des
Gebaumludes
Hier einige Beispiel von Waumlrmeverlusten an Gebaumluden mit dazugehoumlrenden thermografischen
Aufnahmen
Gebaumludeaufnahme Thermografische Aufnahme Erhoumlhte Waumlrmeabstrahlung durch
- schlecht daumlmmendes Fensterglas
- fehlende Dachdaumlmmung
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-37-
- nicht gedaumlmmte Steigleitung (Heizungsrohr)
- schlechte oder fehlende Daumlmmung der Heizkoumlrpernischen
- mangelhafte Daumlmmung der Auszligenwand- defekte Fensterdichtungen bzw
verzogene Rahmen
Das Problem der Thermografie besteht darin dass ein solches Bild nur zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden kann um die Umgebungseinfluumlsse moumlglichst
gering zu halten Eine aussagekraumlftige Thermografie muss daher im Winter bei Dunkelheit
bzw am Tag bei bedecktem Himmel durchgefuumlhrt werden Direkte Sonneneinstrahlung
wuumlrde die Waumlnde aufheizen und so zu schweren Messfehlern fuumlhren Der
Temperaturunterschied zwischen Gebaumludeinneren und Auszligen sollte mindestens 15degC
betragen Hier eine Thermografische Aufnahme eines an gewissen Stellen schlecht isolierten
Neubaus
Je groumlszliger der Temperaturunterschied ist desto besser werden undichte Stellen am Haus
sichtbar
45 Heizwaumlrmebedarf
Der Heizwaumlrmebedarf ist jene bdquoMengeldquo Waumlrmeenergie (in Kilowattstunden) die pro m2
beheizter Nutzflaumlche und Jahr fuumlr die Beheizung eines Gebaumludes notwendig ist Die Einheit
fuumlr den Heizwaumlrmebedarf ist kWhm2a
Der Heizwaumlrmebedarf ist eine rechnerisch ermittelte Groumlszlige Bei der Berechnung des
Heizwaumlrmebedarf werden einerseits die Verluste beruumlcksichtigt die durch die Waumlrmeabgabe
an die Auszligenwelt entstehen Andererseits flieszligen Waumlrmegewinne zB durch Elektrogeraumlte
Abb 28
Abb 27
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-38-
oder Waumlrmeabstrahlung von Personen (interne Waumlrmegewinne) sowie die durch die
Sonneneinstrahlung durch Fenster oder andere transparente Flaumlchen bedingten solaren
Waumlrmegewinne in die Berechnung mit ein
Der Heizwaumlrmebedarf haumlngt also wesentlich von den baulichen Eigenschaften der Gebaumlude
ab Bauform verwendete Baustoffe usw
Noch eine letzte Bemerkung Der Heizwaumlrmebedarf stellt in aumllteren Gebaumluden mit ca 75
den houmlchsten Anteil am Energieverbrauch dar
46 Luumlften
Der Mensch verbraucht beim Atmen Sauerstoff und erzeugt Kohlendioxid Auszligerdem sind in
der Luft die uns umgibt zusaumltzlich noch andere Stoffe enthalten zB Krankheitskeime
radioaktives Radon und giftige Absonderungen von Baustoffen und Moumlbeln
Daher ist es wichtig das man geschlossene Raumlume regelmaumlszligig luumlftet denn bereits bei einem
Kohlendioxidgehalt der Luft von 007 und einem Sauerstoffgehalt unter 15 reagiert der
Mensch mit Ermuumldung Leistungsminderung und Kopfschmerzen - bei einem
Kohlendioxidgehalt von 54 in der Luft erstickt er Der Frischluftbedarf des Menschen
betraumlgt pro Person und Stunde im Mittel etwa 32 m3
Frischluft besteht aus ca 21 Sauerstoff ca 79 Stickstoff und ca 003 Kohlendioxid
Die erforderliche Luftwechselzahl (wie oft geluumlftet werden muss) fuumlr einen Raum wird aus
der Groumlszlige des Raumes der Personenzahl im Raum und der Art ihrer Taumltigkeit Bei
Fensterluumlftung wird mit folgendem stuumlndlichen Luftwechsel gerechnet
- Sind Fenster und Tuumlren geschlossen so dringen im Mittel 0 - 05 m3 Luft pro Stunde ein
(Luft die durch die Fugen eindringen)
- Bei gekippten Fenster ohne Rollladen dringen im Mittel 08 ndash 4 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei halbgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 5 ndash 10 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei ganzgeoumlffneten Fenster dringen im Mittel 9 ndash 15 m3 Luft pro Stunde ein
- Bei Durchzug zwischen Fenster und Tuumlr dringen im Mittel 40 m3 Luft pro Stunde ein
Energetisch gesehen ist das Stoszligluumlften (kurzzeitiges Luumlften) am guumlnstigsten
47 Heizen
Jeder Mensch will sich ja in seiner Wohnung wohl und behaglich fuumlhlen Es gibt viele
Kriterien die fuumlr dieses Wohlbefinden maszliggeblich sind
- Raumtemperatur
- Die Oberflaumlchentemperatur der Auszligenwaumlnde
- Die Luftfeuchtigkeit im Raum
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-39-
- Wie oft man luumlftet
- Welche Kleidung man gerade traumlgt
- Und andere Kriterien
Welche Rolle spielt nun in der obigen Liste die genannte Raumtemperatur
Untersuchungen haben ergeben dass die meisten Menschen eine Raumtemperatur von 20 ndash
21 degC am angenehmsten empfinden Ob man`s glaubt oder nicht auch die Temperatur der
Auszligenwaumlnde spielt dabei eine Rolle Sie sollte mindestens 18 degC betragen Sind die Waumlnde
kaumllter als 18 degC so sollte die Zimmertemperatur auf mindestens 23 ndash 25 degC angehoben
werden Das heiszligt Man muss dann mehr heizen
Anmerkung Faustregel Die Anhebung der Raumtemperatur um 1 degC verursacht um ca 6
mehr Energieverbrauch pro Jahr
Hier ein kleiner Uumlberblick uumlber die empfohlenen Raumtemperaturen
Wohn- und Schlafraum 20 degC
Kuumlche 20 degC
Bad 24 degC
WC 15 degC
Vorraumlume Flur 15 degC
Stiegenhaus 10 degC
Der Zweck einer Heizung egal ob Zentralheizung Kachelofen usw ist es fuumlr eine
angenehme Zimmertemperatur zu sorgen
Folgende Anforderungen werden an eine Heizung gestellt
- Die Waumlrmeabgabe des Heizkoumlrpers soll regulierbar sein
- Die Temperaturverteilung im Raum soll moumlglichst gleichmaumlszligig sein
- Die Heizkoumlrper sollen eine moumlglichst groszlige Oberflaumlche ausweisen damit eine gute
Waumlrmeabgabe gewaumlhrleistet ist
Raumlume werden grundsaumltzlich auf zwei Arten erwaumlhnt
1) Durch Konvektion Warme Luft steigt (uumlber den Heizkoumlrper) auf kuumlhl langsam ab und
stroumlmt vom Boden wieder dem warmen Heizkoumlrper zu Das ist das Phaumlnomen der
Konvektion
2) Durch Waumlrmestrahlung Zwischen Koumlrpern mit unterschiedlicher Temperatur erfolgt
ein staumlndiger Waumlrmeaustausch Aumlhnlich empfinden wir die Waumlrmeabgabe des
Kachelofens der einen Teil seiner Energie an die Umgebungsluft abgibt
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-40-
V AnmerkungIm Prinzip gibt es bei diesem Thema nicht recht viel anzumerken Die Versuche stellen in der
Regel keine Schwierigkeit dar Speziell gekennzeichnete Versuche fuumlr die Oberstufe sind in
der Auswertung etwas komplizierter und sollten deshalb auch nur in der Oberstufe
durchgefuumlhrt werden
Es gibt zu jedem groumlszligeren Kapitel zum Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe mindestens
einen anschaulichen Versuch Auch die Grundversuche in dem Kapitel bdquoGrundlagenldquo sind fuumlr
den Unterricht recht gut geeignet da sie nicht so aufwendig sind
Vorwissen in dem Sinne ist nicht vorausgesetzt da die Waumlrmelehre in der Unterstufe erst das
erste Mal vorkommt Allerdings wurden die Grundlagen in diesem Protokoll nur kurz
zusammengefasst da das Thema Waumlrmelehre in der Unterstufe sowohl in der 2 als auch in
der 3 Klasse vorkommt und daher die Grundlagen einen immensen Umfang haben
Die im Kapitel Zusatzinformationen behandelten Themen sind wie im Protokoll bereits
erwaumlhnt zum Teil nur fuumlr die Oberstufe zu verwenden da sie teilweise recht umfangreich und
kompakt sind
Zu den Versuchen
Die Versuche sind gewissenhaft durchzufuumlhren da sonst gelegentlich Messfehler uauml
auftreten koumlnnen die dann zu einer fehlerhaften Auswertung fuumlhren
Manche Versuche sollten auch nur von einem Lehrer durchgefuumlhrt werden (zB
Waumlrmestroumlmung)
VI Literatur
Verwendete Buumlcher
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo ndash Lewisch Molzer (Westermann Wien)
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo ndash Kaufmann Zoumlchling (oumlbv-Wien)
bdquoPhysikldquo ndash Paul A Tipler ndash (Spektrum Akademischer Verlag)
Internetlinks
httpwwwalko-waermepumpendefunktionsprinziphtml
httpwwwviessmannataustriawwwat_infonsf
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-41-
Die Informationen zum Thema Waumlrmedaumlmmung k-Wert Heizen und Luumlften wurden den
Links
httpwwwumweltlexikon-onlinedefparchivRUBbauen-wohnen
httpwwwkatalysede
entnommen
Abbildungsverzeichnis
bdquoPhysikChemie ndash In Alltag und Technik 2ldquo
Abbildung 18 26
bdquoPhysik in unserer Welt 3ldquo
Abbildung16
bdquoNTL ndash Schuumllerexperimente Physik - Waumlrmelehreldquo
Abbildung 9 13 14 19 20 21 22 23 24 25
httpwwwstadtwerke-osnabrueckde2626htm
Abbildung 27
httpwwwstadtwerke-wittendeaktuellhtm
Abbildung 28
Selbstgemachte Abbildungen 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 15 17
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
ArbeitsblaumltterWaumlrmelehre
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-1-
Arbeitsblatt 1 Das Thermometermodell
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Erlenmeyerkolben Faumlrbepulver
Glasroumlhrchen Gummistopfen
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle den Erlenmeyerkolben bis obenhin mit Wasser voll
Danach gibst du in das Wasser noch ein Faumlrbemittel
Mit Hilfe eines Gummistopfens durch den ein Glasroumlhrchen gesteckt wird musst du
nun den Kolben verschlieszligen
Tipp Damit das Roumlhrchen leichter durch den Gummistopfen gleitet feuchte die
Auszligenwand des Roumlhrchens etwas an
Danach markierst du mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand im Glasroumlhrchen
Anschlieszligend stellst du den Bunsenbrenner unter die Apparatur und entzuumlndest ihn
Erwaumlrme das Wasser etwa 5 Minuten lang und zeichne erneut den neuen
Fluumlssigkeitsstand am Roumlhrchen an
Danach schaltest du den Brenner aus und beobachtest die Wassersaumlule noch eine
zeitlang
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche
deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
Anmerkung Auf dieselbe Art und Weise funktioniert ein Thermometer
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-2-
Arbeitsblatt 2 Die Eichung einer Thermometerskala
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz ungraduiertes Thermometer Becherglas
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas zunaumlchst mit Eisstuumlcken und stecke ein ungraduiertes
Thermometer hinein
Warte nun solange ab bis sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht weiter
veraumlndert und markiere anschlieszligend den vorliegenden Fluumlssigkeitsstand Den
Eispunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfe deine gemessene Temperatur mit einem graduierten Thermometer
Entferne nun das Thermometer aus dem Eisbad
Fuumllle erneut das Becherglas mit Wasser und stelle es auf ein Waumlrmeschutznetz
Mit Hilfe eines Bunsenbrenners erhitzt du das Wasser solange bis es beginnt zu
sieden Aumlndert sich der Fluumlssigkeitsstand des Thermometers nicht mehr so markiere
die Houmlhe der Fluumlssigkeitssaumlule Den Siedepunkt hast du somit bestimmt
Tipp Uumlberpruumlfung mit einem graduierten Thermometer
Damit dein Thermometer ein graduiertes Thermometer wird musst du den ermittelten
Eispunkt mit 0 degC und den gefundenen Siedepunkt mit 100 degC auf deinem Thermometer
einzeichnen Danach misst du den Abstand zwischen diesen beiden Punkten und teilst ihn in
10 gleiche Teile Diese Markierungen werden nun noch auf dem Thermometer vermerkt und
das Thermometer ist perfekt
Vervollstaumlndige nun noch den letzten Merksatz
Eis hat eine Temperatur _________ degC und Wasser siedet bei _______ degC Ein Celsius ist der
___________ Teil des Abstands zwischen Eis- und Siedepunkt
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-3-
Arbeitsblatt 3 Der Bimetallstreifen
Materialien Bunsenbrenner Bimetallstreifen Halterung
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Halte den Bimetallstreifen vorsichtig uumlber den Bunsenbrenner Der Abstand Brenner ndash
Streifen sollte dabei min 10 cm betragen
Beobachte nun das Verhalten des Bimetallstreifens
Anschlieszligend entfernst du den Brenner wieder und der Bimetallstreifen kuumlhlt sich
dann langsam ab
Wiederum sollst du das Verhalten des Streifens beim Abkuumlhlen beobachten
Fuumlhre den Versuch noch einmal durch allerdings drehst du diesmal den Bimetallstreifen um
Die Seite die beim ersten Versuch oben war ist nun unten
Schreibe alle deine Beobachtungen ins Heft und versuche
sie zu erklaumlren (Warum ist das so)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-4-
Arbeitsblatt 4 Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten
Materialien Bunsenbrenner Waumlrmeschutznetz Becherglas 2 Reagenzglaumlser 2 Glas-
roumlhrchen Thermometer Duftpetroleum oder Lampenoumll
Versuchsgang
Fuumllle ein Reagenzglas mit Wasser und das andere mit Duftpetroleum randvoll
Danach steckst du die Glasroumlhrchen jeweils in ein Reagenzglas und schlieszligt die
Reagenzglaumlser mit Hilfe eines Gummistopfens luftdicht ab
Die Fluumlssigkeiten sollen schon leicht in die Glasroumlhrchen hineinragen und dabei in
beiden Roumlhrchen gleich hoch stehen
Markiere nun den Fluumlssigkeitsstand im Roumlhrchen mit einem Wachsstift
Spanne nun die Reagenzglaumlser in die Halterungen ein und tauche sie in ein mit Wasser
gefuumllltes Becherglas ein (so wie du es auf der Abbildung sehen kannst)
Die ganze Apparatur stellst du jetzt auf ein Waumlrmeschutznetz und entzuumlndest den
Brenner Das Wasser im Becherglas wird erwaumlrmt und somit auch die beiden
Fluumlssigkeiten in den Reagenzglaumlsern
Beobachte wie sich die Fluumlssigkeitsstaumlnde mit der Zeit veraumlndern und notiere was du siehst
Was du dir merken solltest ndash vervollstaumlndige den Luumlckentext
Die Fluumlssigkeiten ________________ sich aus Da es sich um verschiedene Fluumlssigkeiten
handelt dehnen sie sich auch ________________ aus Man erkennt dass sich das
Duftpetroleum ________________ ausdehnt als das Wasser
Die Teilchen der Fluumlssigkeiten bewegen sich beim Erwaumlrmen ________________ und damit
benoumltigen sie auch ________________ Platz Sie wandern also im Reagenzglas nach
________________
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
unterschiedlich stark --- staumlrker --- dehnen --- oben --- mehr --- schneller
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-5-
Arbeitsblatt 5 Volumenaumlnderung von Luft bei konstantem Druck
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Erlenmeyerkolben Schlauch Glasroumlhrchen
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Stecke das Glasroumlhrchen durch einen Gummistopfen und dichte anschlieszligend den
Erlenmeyerkolben damit ab
Am anderen Ende des Glasroumlhrchens bringst du den Gummischlauch an und dessen
freies Ende tauchst du in ein mit Wasser gefuumllltes Becherglas ein wie du es im Bild
sehen kannst
Stelle nun diese Apparatur uumlber einen Bunsenbrenner und entzuumlnde ihn
Das Becherglas wird einige Minuten lang beobachtet
Danach entfernst du den Brenner und beobachtest das Becherglas weiterhin
Was du dir vom Versuch merken solltest
Erwaumlrmt man die Luft im Erlenmeyerkolben so dehnt sie sich aus Das kann man daran
erkennen dass im Becherglas Luftblasen aufsteigen Der einzige Weg fuumlr die Luft zu
entweichen ist das Becherglas
Dreht man nun hingegen den Brenner ab (es wird also keine Waumlrme mehr zugefuumlhrt) so kuumlhlt
sich die Luft wieder ab Ihr Volumen wird kleiner Die zuvor entwichene Luft wird im
Schlauch durch Wasser ersetzt Der Unterdruck im Kolben zieht das Wasser in den Schlauch
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-6-
Arbeitsblatt 6 Druckaumlnderung von Luft bei konstantem Volumen
Eventuell nur fuumlr die Oberstufe
Materialien Waumlrmeschutznetz Kalorimeter Erlenmeyerkolben 3 Glasroumlhrchen 2
Schlaumluche 1 Thermometer Faumlrbepulver Wachsstift
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Nimm die zwei langen Glasroumlhrchen und verbinde sie durch den kurzen Schlauch
Diese Vorrichtung bildet ein Manometer
Nun wird in dieses Miniaturmanometer gefaumlrbtes Wasser eingefuumlllt und zwar bis
knapp uumlber den Rand der Manometerrohre
In das leere Kalorimeter laumlsst du nun soviel Wasser ein bis der mit Luft gefuumlllte
Erlenmeyerkolben im Kalorimeter vollstaumlndig mit Wasser bedeckt ist
Den Erlenmeyerkolben verbindest du mit Hilfe eine Schlauches mit dem Manometer
Zeichne mit einem Wachsstift den Fluumlssigkeitsstand am Manometer an
Wichtige Messung Miss die Temperatur T1 des Wassers im Kalorimeter
Nachdem du die Temperatur bestimmt hast erwaumlrmst du das Wasser im Kolben um 4
degC Dabei solltest du allerdings vorsichtig vorgehen da die Temperatur auch noch
etwas weiter steigt nachdem du den Brenner wieder abgeschaltet hast
Wichtige Messung Miss die neue waumlrmere Temperatur T2
Das Manometer zeigt jetzt eine Druckzunahme an Das erkennst du daran da das
gefaumlrbte Wasser im Manometer etwas nach oben gedruumlckt worden ist Da der Versuch
aber bei gleichbleibenden Luftvolumen durchgefuumlhrt werden soll musst du nun den
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-7-
einen Manometerarm solange anheben bis das gefaumlrbte Wasser wieder die alte
Wachsstiftmarkierung erreicht
Es stellt sich ein Houmlhenunterschied zwischen den beiden Wassersaumlulen ein den du
messen musst
Wichtige Messung Den Houmlhenunterschied H zwischen den zwei Wassersaumlulen messen
AuswertungDividiere diesen Houmlhenunterschied H durch die Temperaturerhoumlhung T2 ndash T1 Dadurch
erhaumlltst du den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Aufgaben Berechne den Houmlhenunterschied pro Grad Celsius
Gib die Druckerhoumlhung durch die erfolgte Erwaumlrmung in Millibar an
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-8-
Arbeitsblatt 7 Waumlrmeleitung
Materialien Eisen-Aluminium Stab (siehe Abbildung) Kerze oder Bunsenbrenner 6
Geldstuumlcke
Versuchsaufbau und Versuchsgang ndash Wo fallen die Muumlnzen schneller runter
Klebe mit Hilfe von kleinen Wachskugeln 6 gleiche Geldstuumlcke (vorzugsweise 1
Eurocent- Muumlnzen) im gleichen Abstand zueinander und zum Zentrum auf einen
Metallstab Der Metallstab besteht auf der einen Seite aus Eisen und auf der anderen
Seite aus Aluminium
Nachdem du die Muumlnzen aufgeklebt hast schiebst du eine brennende Kerze unter den
Metallstab
Was passiert nun Schreibe deine Beobachtungen ins Heft
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext
Durch die Waumlrmezufuhr wird der Stab erhitzt Da dieser nun aus zwei _____________
Metallen besteht wird die Waumlrme auch unterschiedlich gut _____________ Aluminium ist
ein _____________ Waumlrmeleiter als Eisen Deshalb breitet sich die Waumlrme im Aluminiumteil
auch _____________ aus Die Wachskugeln schmelzen auf der Aluminiumseite schneller und
die Muumlnzen
fallen zu Boden Das heiszligt nun also dass das Aluminium das Rennen gewonnen hat
Die _____________ Leitfaumlhigkeit des Eisen kann man mit dem groumlszligeren Abstand der
Eisenteilchen im Vergleich zu den Aluminiumteilchen erklaumlren Im Aluminium liegen die
Teilchen _____________ beieinander Deshalb wird die Waumlrmeenergie von Teilchen zu
Teilchen leichter besser und schneller uumlbertragen
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
schneller --- enger --- unterschiedlichen --- schlechtere --- geleitet --- besserer
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-9-
Arbeitsblatt 8 Waumlrmestroumlmung
Materialien Rechtecksrohr Kaliumpermanganat zum Faumlrben des Wassers Bunsenbrenner
Stoppuhr
Versuchsaufbau Versuchsgang und Erklaumlrung
Fuumllle das Rechtecksrohr randvoll mit Wasser Wichtig Die Oumlffnung des Rohres nicht
abdichten
Spanne danach das Rohr links und rechts in ein Stativ ein (siehe Abbildung)
Entzuumlnde jetzt den Brenner und stelle ihn an der ummantelten geschuumltzten Stelle
unter das Rechtecksrohr
Gib nun eine Messerspitze Farbzusatz (Kaliumpermanganat) in das Rechtecksrohr
Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-10-
Arbeitsblatt 9 Waumlrmestrahlung
Materialien 2 Thermometer eine weiszlige Aluminiumkappe eine schwarze Aluminiumkappe
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Befestige zwei Thermometer jeweils an einem Stativ
Am unteren Ende des einen Thermometers befestigst du eine weiszlige Aluminiumkappe
am anderen Thermometer eine schwarze Aluminiumkappe
Genau in die Mitte zwischen den Stativen platzierst du nun den Bunsenbrenner und
entzuumlndest ihn
Der Brenner sollte zirka 5 Minuten in Betrieb sein Nun liest du die Temperatur auf
beiden Thermometern ab
Was du dir merken solltest Vervollstaumlndige den Luumlckentext mit den richtigen Woumlrtern
Das Thermometer mit der schwarzen Aluminiumkappe zeigt eine _____________
(houmlhereniedrigere) Temperatur an als das andere Thermometer Es hat also _____________
(wenigermehr) Waumlrme absorbiert
Die weiszlige Aluminiumkappe reflektiert einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung die schwarze
Aluminiumkappe hingegen ____________ (gibtnimmt) einen Groszligteil der Waumlrmestrahlung
_________ (ab in sich auf)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-11-
Arbeitsblatt 10 Waumlrmedaumlmmung
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Joule-Kalorimeter mit Styroporeinsatz
Aluminiumbecher Bunsenbrenner 2 Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Erhitze zuerst im Becherglas mit Hilfe des Brenners 200 ml Wasser auf etwa 80 degC
Danach schaltest du den Brenner ab
100 ml von dem heiszligen Wasser schuumlttest du in den Styroporeinsatz des Kalorimeters
Die restlichen 100 ml Wasser leerst du hingegen in einen Aluminiumbecher
In beiden Gefaumlszligen befindet sich jeweils ein Thermometer Notiere alle 2 Minuten die
Temperatur die beide Thermometer anzeigen (Tabelle) Mach das ungefaumlhr 15
Minuten lang
In welchem Gefaumlszlig kuumlhlt sich das Wasser schneller ab und warum Schreibe all deine
Beobachtungen waumlhrend des Versuchs ins Heft
Arbeitsblatt 11 Mischtemperatur
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-12-
Materialien Erlenmeyerkolben Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer
Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Erhitze im Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser auf 70 degC
Waumlhrenddessen fuumlllst du ebenfalls 50 ml kaltes Wasser in das Kalorimeter
Wenn das Wasser im Erlenmeyerkolben in etwa eine Temperatur von 70 degC aufweist
leerst du es zum kalten Wasser im Kalorimeter dazu
Ruumlhr die Mischung um und lies die Mischtemperatur am Thermometer ab
Wichtige Messungen waumlhrend des Versuchs - Tabelle im Heft erstellen
- Die genaue Temperatur T1 des warmen Wassers im Erlenmeyerkolben
- Die genaue Temperatur T2 des kalten Wassers im Kalorimeter
- Die Mischtemperatur T
Nun wird der Versuch ein zweites Mal durchgefuumlhrt
Erhitze nun lediglich 40 ml Wasser im Erlenmeyerkolben auf 70 degC
In das Kalorimeter fuumlllst du hingegen 80 ml kaltes Wasser ein
Wiederum sollst du die Mischtemperatur T bestimmen
Auch bei diesem Versuch wird eine genaue Temperaturtabelle im Heft erstellt
Fragen zum Versuch - Beantworte folgende Fragen schriftlich im HeftBei welchem Versuch ist die Mischtemperatur houmlher
Bei welchem Versuch gilt folgender Zusammenhang
die Mischtemperatur T ist ungefaumlhr frac12 (T1 + T2)
Berechne mit dieser Formeln beide Mischtemperaturen und vergleiche mit dem
Versuchsergebnis
Arbeitsblatt 12 Spezifische Waumlrme von Wasser
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-13-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Kalorimeter Amperemeter Voltmeter Thermometer Stoppuhr
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle in das Kalorimeter 100 ml Wasser ein
Stecke nun die Heizspirale des Kalorimeters in das Wasser und schlieszlige es an die 9V
Stromversorgung an Die Stromversorgung bleibt allerdings noch ausgeschaltet
Damit du den Strom messen kannst schalte ein Amperemeter in Reihe zum
Kalorimeter und damit du die Spannung messen kannst schaltest du ein Voltmeter
parallel zum Kalorimeter in den Stromkreis
Mit Hilfe des Thermometers bestimmst du aber noch die Temperatur T1 des kalten
Wassers im Kalorimeter und notierst sie
Wichtige Messung Temperatur des kalten Wassers T1
Bitte den Lehrer deinen Aufbau zu uumlberpruumlfen Der Lehrer schaltet dann die
Stromversorgung ein und du setzt zu selben Zeitpunkt die Stoppuhr in Betrieb
Lies waumlhrend des Versuchs die Spannung und die Stromstaumlrke an den Messgeraumlten ab
Erwaumlrme das Wasser nun genau 200 Sekunden lang
Nach Ablauf der Zeit durchmischt du das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers und
bestimmst die Endtemperatur (aufschreiben)
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
Auswertung
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-14-
Die zu messenden Groumlszligen
Masse m des kalten Wassers
Zeit t 200 s
Stromstaumlrke I
Spannung U
Anfangstemperatur (Temp des kalten Wassers) T1
Endtemperatur (Temp des warmen Wassers) T2
Berechne nun die Temperaturerhoumlhung (T2 - T1)
Die elektrische Energie setzt sich aus der angelegten Spannung U der Stromstaumlrke I
und der Zeit t wie folgt zusammen
W = U I t
Welcher Wert ergibt sich fuumlr die elektrische Energie
Bilde nun den Quotienten 12 T-T
W Das ist die Energie die du benoumltigst um deine
Masse m um 1 degC zu erwaumlrmen
Nun ist es ein Leichtes die spezifische Waumlrme von Wasser auszurechnen Denn das ist
jene Energie x die man benoumltigt um 1 kg Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen
Schreibst du es in einem Verhaumlltnis an so erhaumlltst du
m 12 T-T
W = 1 kg x
Aus dieser Beziehung rechnest du das x aus und du hast somit die spezifische Waumlrme
von Wasser bestimmt
Der Literaturwert von der spezifischen Waumlrme des Wasser lautet 4186 JkgdegC Dass diese
beiden Werte von einander abweichen kann viele Gruumlnde haben denn bei diesem Versuch
gibt es viele Fehlerquellen
Arbeitsblatt 13 Spezifische Waumlrme fester Stoffe
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-15-
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da in der Unterstufe das Thema spezifische
Waumlrme nur am Rande besprochen wird
Materialien Becherglas Bunsenbrenner Kalorimeter Thermometer unbestimmte Masse
(Versuchsobjekt) Waumlrmeschutznetz
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Als erstes wiegst du die Masse m des Versuchsobjekts mittels einer Waage ab und
hast somit das Gewicht bestimmt
Nun wird das Versuchsobjekt in ein Becherglas gegeben und anschlieszligend vollstaumlndig
mit Wasser bedeckt
Das Wasser im Becherglas erhitzt du nun mit dem Bunsenbrenner auf etwa 80 degC
Waumlhrend das Wasser erwaumlrmt wird fuumlllst du zirka 300 ml kaltes Wasser in ein
Kalorimeter (Temperatur T1 des kalten Wassers messen)
Nachdem die Endtemperatur T2 im Becherglas von 80degC erreicht worden ist schaltest
du den Brenner aus und mischst das Wasser mit Hilfe eines Ruumlhrers durch
Anschlieszligend misst du die genaue Endtemperatur T2 und notierst sie
Das heiszlige Versuchsobjekt nimmst du nun aus dem Becherglas heraus (VORSICHT
heiszlig) und legst es in das Kalorimeter Nach einigen Minuten misst du die
Mischtemperatur T im Kalorimeter
Trage alle zu messenden Groumlszligen in die Tabelle auf der naumlchsten Seite ein
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-16-
Auswertung
Masse m des Versuchsobjekt
Temperatur T1 des kalten Wassers im Kalorimeter
Masse des kalten Wassers im Kalorimeter 03 kg
Temperatur T2 des erwaumlrmten Versuchsobjekt
Mischtemperatur T
Setze deine gemessenen Werte in die folgende Formel ein und berechne das Verhaumlltnis c2c1
)()(30
2
1
1
2TTmTT
cc
c1 spezifische Waumlrme von Wasser = 418 kJkg degC
c2 spezifische Waumlrme vom Versuchsobjekt
m T T1 T2 siehe Tabelle
Wie lautet das Verhaumlltnis
Die Formel fuumlr die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt lautet
12
12 )(
)(30 cTTmTTc
Wie groszlig ist die spezifische Waumlrme c2 vom Versuchsobjekt Welche Einheit hat sie
Vergleiche deinen c2 ndash Wert mit den angegebenen Werten in der Tabelle Aus welchem
Material besteht das Versuchsobjekt
Material spezifische Waumlrme c [kJkg degC]
Aluminium 09
Bismut 0123
Blei 0128
Gold 0126
Kupfer 0386
Wolfram 0134
Zink 0387
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-17-
Arbeitsblatt 14 Schmelztemperatur
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau und Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat
Beantworte folgende Fragen schriftlich im Heft
Fragen zum Versuch1) Bei welcher Temperatur beginnt das Natriumthiosulfat am Rande des Reagenzglases
zu schmelzen
2) Bei welcher Temperatur steigt die Temperatur nicht mehr an Wo liegt der
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat
3) Ab welcher Temperatur beginnt die Temperatur wieder zu steigen Warum steigt sie
nun wieder an
4) Von welchem zu welchem Aggregatzustand ist das Natriumthiosulfat uumlbergegangen
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-18-
Arbeitsblatt 15 Kaumlltemischung
Materialien Eisstuumlcke Becherglas Thermometer
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas etwa zu einem Drittel mit Eisstuumlcken an und stecke das
Thermometer in das Eis hinein und zwar so dass die Thermometerspitze rundherum
von Eis umgeben ist
Das Eis hat eine Temperatur von 0degC Das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt von
Eis
Nun gibst du etwas Kochsalz in das Becherglas hinein und beobachtest die
Thermometeranzeige
Was passiert Was beobachtest du Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und
versuche deine Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-19-
Arbeitsblatt 16 Erstarrungswaumlrme
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Reagenzglas Thermometer Natriumthiosulfat
Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Reagenzglas zu einem Drittel mit Natriumthiosulfat voll
Anschlieszligend fuumlllst du das Becherglas halbvoll mit Wasser
Das Reagenzglas (mit hineingestecktem Thermometer) stellst du nun aufrecht in das
Becherglas
Diese Apparatur platzierst du nun auf einem Waumlrmeschutznetz uumlber dem Brenner
Entzuumlnde den Brenner und erwaumlrme damit das Wasser im Becherglas und somit auch
das Natriumthiosulfat auf ca 55 degC Das Natriumthiosulfat wird fluumlssig
Nimm nun das Natriumthiosulfat aus dem Becherglas heraus und lass es wieder
abkuumlhlen Fuumlge einige Natriumthiosulfat-Kristalle dem fluumlssigen Natriumthiosulfat
bei damit die Erstarrung schneller eintritt (die hinzugefuumlgten Kristalle wirken als
Kristallisationskeime)
Umgreif das Reagenzglas mit der Hand Was merkst du
Was beobachtest du Vervollstaumlndige den LuumlckentextDie Temperatur der Mischung ______ beim Erstarren ____ da beim Erstarren die sogenannte
_____________ frei wird Diese Erstarrungswaumlrme ist die frei werdende ________________
Umfasst man das Reagenzglas mit der Hand so kann man diese Waumlrme auch spuumlren Die
abgegebene Waumlrmemenge ist dieselbe die beim Schmelzvorgang __________ werden muss
Folgende Woumlrter wurden im Text vergessen Setze sie an der richtigen Stelle ein
zugefuumlhrt --- steigt an --- Schmelzwaumlrme --- Erstarrungswaumlrme
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-20-
Arbeitsblatt 17 Siedetemperatur von Wasser
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner Kochsalz
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle das Becherglas mit 100 ml Wasser und platziere es anschlieszligend auf dem
Waumlrmeschutznetz
Erwaumlrme das Wasser bis es siedet und beobachte bei diesem Vorgang das
Thermometer Bei 100 degC (bei Normaldruck) steigt dann die Temperatur des
Wassers nicht weiter an da die gesamte zugefuumlhrte Waumlrme zum Verdampfen des
Wassers benoumltigt wird Dies geschieht wie gesagt bei 100 degC
Gib jetzt dem Wasser etwas Kochsalz bei
Was passiert Schreibe deine Beobachtung im Heft nieder und versuche deine
Beobachtungen zu erklaumlren und zu begruumlnden
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-21-
Arbeitsblatt 18 Verdampfungswaumlrme
Dieser Versuch ist nur fuumlr die Oberstufe geeignet da die Auswertung zu kompliziert fuumlr einen
Unterstufenschuumller ist
Materialien Waumlrmeschutznetz Becherglas Thermometer Bunsenbrenner
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Fuumllle ein Becherglas mit genau 100 ml (=Masse m) Wasser
Erhitze jetzt das Wasser (mit beigefuumlgtem Thermometer) im Becherglas mit Hilfe
eines Bunsenbrenners In dem Moment wo du die Waumlrmezufuhr startest schaltest du
die Stoppuhr ein Die Brennerflamme darf nun nicht mehr veraumlndert werden damit
das Wasser gleichmaumlszligig erwaumlrmt wird
In einer Tabelle traumlgst du dann alle 2 Minuten die Temperatur ein bis das Wasser
siedet
Sobald der Siedepunkt erreicht ist entfernst du das Thermometer und notierst den
Zeitpunkt
Das Wasser soll genau noch 4 Minuten lang weiter verdampfen
Danach drehst du den Brenner ab und bestimmst die Masse m1 des verdampften
Wassers (= Masse m zu Beginn des Versuches MINUS der nach dem Verdampfen
noch vorhandenen Masse des Wassers)
Fuumlhre die Auswertung auf der naumlchsten Seite gewissenhaft durch
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)
-22-
AuswertungAls erstes ermittelst du die Energie die vom Brenner pro Sekunde an das Wasser abgegeben
wird (entspricht der Brennerleistung)
Dazu ermittelst du zunaumlchst die Erwaumlrmung des Wasser T in 4 Minuten (lies das aus der
Tabelle ab die du waumlhrend des Versuchs erstellt hast)
Nun zur Brennerleistung Die Leistungsberechnung ermoumlglicht folgende Formel
tTmcP w
= ________W
P Brennerleistung
m Masse des Wassers bei uns 01 kg
t Zeitdauer bei uns die 4 Minuten (= 240 s)
T Temperaturerhoumlhung
cw spezifische Waumlrme des Wassers
Aus der Zeitdauer der Verdampfung (4 Minuten) und der Brennerleistung P ergibt sich die zur
Verdampfung von der Masse m1 insgesamt benoumltigte Energie W
W = P t = ______ Joule
Berechne nun aus der Masse m1 des verdampften Wassers und der benoumltigten Energie W die
zur Verdampfung von 1 kg Wasser benoumltigte Energie also die Verdampfungswaumlrme qv
___________1
kgJmWqv
m1 Masse des verdampften Wassers
Tipp Vergleiche den selbst ermittelten Wert fuumlr die Verdampfungswaumlrme qv mit dem
Literaturwert
Literaturwert Verdampfungswaumlrme von Wasser 226 MJkg
Um 1 kg Wasser zu verdampfen benoumltigt man also 226 MJkg (laut Literatur)