Wärmestrahlung und Treibhauseffekt

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :07:6 P Wärmestrahlung und Treibhauseffekt Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusätzliche Informationen Dieser Versuch dient dazu, das Prinzip des Treibhauseffekts zu erklären. Die Sonne strahlt bei einer Oberflächentemperatur von etwa 5600 C vorwiegend Wärmestrahlung im Bereich 500 nm in Richtung Erde. Strahlung dieser Wellenlänge wird von der Erdatmosphäre fast vollständig zur Erdoberfläche durchgelassen und erwärmt diese im Durchschnitt auf etwa 30 C. Die Erdoberfläche strahlt ihrerseits vorwiegend Infrarotstrahlung der Wellenlänge 0000 nm in die Atmosphäre zurück (Wiensches Verschiebungsgesetz). Strahlung dieser Wellenlänge wird jedoch von Treibhausgasen (wie CO 2 ) zu großem Teil absorbiert. Die Treibhausgase widerum strahlen dann Wärmestrahlung in Richtung Erdoberfläche zurück, die diese zusätzlich erhitzt. Dieser Effekt wird Treibhauseffekt genannt. Der Name ist darauf zurückzuführen, dass man das gleiche Prinzip auch in einem Treibhaus findet, wobei die "Erdatmosphäre" des Treibhauses durch die Glasfenster dargestellt wird. Im Versuch wird die erwärmte Erde durch einen schwarzen Becher mit heißem Wasser dargestellt. Treibhausgase werden durch eine dünne Kunststoffscheibe ersetzt. Die Temperatur des Wassers wird mit einem Thermometer kontrolliert. Die vom schwarzen Becher abgegebene Wärmestrahlung wird mit einem Thermogenerator einmal mit und einmal ohne Kunststoffscheibe im Strahlengang gemessen. Dadurch kann der Treibhauseffekt beobachtet werden. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Das Schaumstoffgehäuse des Sonnenkollektors dient zur Isolation des schwarzen Bechers mit dem heißen Wassers. Es ist gleichzeitig auch seine Halterung und die Halterung für die Kunststoffscheibe in diesem Versuch. Er liefert darüber hinaus zusätzlichen Schutz vor äußeren Störungen der empfindlichen Temperaturmessung. Bei diesem Versuch ist darauf zu achten, dass der Betrag der Thermospannung zu Beginn beider Messungen unter 0,5 mv liegt. Ist es auch nach längerer Zeit nicht möglich, diesen Wert zu erreichen, so liegt das daran, dass die vordere Platte des Peltier- Elements anderen Einflüssen ausgesetzt ist. Dann sollte sichergestellt werden, dass sich keine warmen Gegenstände in der Nähe des Versuchsaufbaus befinden und dass z.b. die Fenster geschlossen sind, um so wenig Luftzirkulation im Unterrichtsraum wie möglich zu haben. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

2 Gedruckt: :07:6 P Wärmestrahlung und Treibhauseffekt Aufgabe und Material Aufgabe Wie kann man den Treibhauseffekt nachweisen? Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

3 Gedruckt: :07:6 P Material Position Material Bestellnr. Menge Stativfuß, variabel Stativstange Edelstahl 8/8, l = 600 mm, d = 0 mm Sonnenkollektor für Schülerversuche Thermogenerator für Schülerversuche Becher, schwarz Laborthermometer, C Reiter für Stativbank Becher, Polypropylen, niedrige Form, 00 ml Becherglas DURAN, niedrige Form, 400 ml Digitale Stoppuhr, 24 h, /00 s & s Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, rot Doppelbuchse, Paar, x rot und x schwarz Maßband, l = 2 m Digitalmultimeter, 3 /2-stelliges Display, mit NiCr-Ni Thermoelement Zusätzliches Material heißes Wasser Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

4 Gedruckt: :07:6 P Aufbau und Durchführung Aufbau Schraube zunächst die zweigeteilten Stativstangen zu zwei langen Stangen zusammen (Abb. ). Baue aus den beiden Stativstangen und Stativfüßen die Stativbank wie in (Abb. 2 und Abb. 3) zusammen. Abb. Abb. 2 Abb. 3 Öffne den Sonnenkollektor und nimm das kleine Stück Schaumstoff aus ihm heraus (Abb. 4). Abb. 4 Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

5 Gedruckt: :07:6 P Platziere den Reiter und den Sonnenkollektor wie in Abb. 5 auf der Stativbank. Der Abstand zwischen Reiter und Sonnenkollektor soll dabei 5cm betragen. Abb. 5 Der Thermogenerator besteht aus dem Aluminiumblock, dem Peltier-Element und der gelben Klammer. Befestige die schwarze Platte mit Hilfe der gelben Klemme am Thermogenerator, dabei muss das Peltier-Element quer gelegt werden, sodass die Leitungen seitlich herausführen (Abb. 6 und 7). Abb. 6 Abb. 7 Setze den Thermogenerator auf den Reiter (Abb. 8). Abb. 8 Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

6 Gedruckt: :07:6 P Schließe den Thermogenerator mit Hilfe der beiden Doppelbuchsen und der beiden zusätzlichen Kabel an das Multimeter an und stelle den Messbereich auf 200 mv - (Abb. 9 und Abb. 0). Abb. 9 Abb. 0 Durchführung Lass dir von deinem Lehrer heißes Wasser in dein Becherglas gießen. Fülle anschließend mit Hilfe des kleinen Messbechers 30ml des heißen Wassers in den schwarzen Becher ab (Abb. ). Abb. Miss die Temperatur des Wassers in deinem Becher mit dem Thermometer. Wenn das Wasser auf etwa 55 C abgekühlt, dann stelle den Becher mittig in den Sonnenkollektor, sodass er die Rückwand berührt und tauche das Thermometer durch das Loch in der Decke des Sonnenkollektors in das Wasser ein (Abb. 2). Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

7 Gedruckt: :07:6 P Abb. 2 Schließe den Sonnenkollektor mit der Kunststoffscheibe. Starte die Stoppuhr, miss zu jeder vollen Minute (Zeit t) die Temperatur ϑdes Wassers und die Spannung Udes Thermogenerators und notiere die Werte in Tabelle (Abb. 3). Beende die Messung nach 5 Minuten. Abb. 3 Öffne den Sonnenkollektor zum Abkühlen, nimm den Becher aus dem Sonnenkollektor und gieß das Wasser aus. Warte nun solange, bis die Spannung des Thermogenerator unter 0,5mV gesunken ist. Wiederhole nun den Versuch ohne die Kunststoffscheibe. Hinweis Bei beiden Messungen sollte das Wasser etwa die gleiche Anfangstemperatur haben, um die Ergebnisse besser miteinander vergleichen zu können. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

8 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :07:6 P Protokoll: Wärmestrahlung und Treibhauseffekt Ergebnis - Tabelle (0 Punkte) Trage deine Messwerte zur Messung mit Kunststoffscheibe in die Tabelle ein. t in min ϑ in C U in mv Ergebnis - Tabelle 2 (0 Punkte) Trage deine Messwerte zur Messung ohne Kunststoffscheibe in die Tabelle ein. t in min ϑ in C U in mv Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

9 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :07:6 P Auswertung - Frage (0 Punkte) Was kannst du bei den beiden Messungen beobachten? Bei beiden Messungen steigt die gemessene Spannung zunächst schnell an. Bei der Messung ohne Kunststoffscheibe hat sich die Spannung nach 5 min bereits bei einem Sättigungswert eingependelt. Bei der Messung mit Kunststoffscheibe kann man ebenfalls sehen, dass die Spannungswerte nach 5 min nicht mehr so schnell ansteigen wie zu Beginn. Sie sollten sich also auch hier bald einem Sättigungswert annähern. Man sieht, dass dieser Sättigungswert bei der Messung ohne Scheibe größer ist als bei der Messung mit Scheibe. Auswertung - Frage 2 (0 Punkte) Warum erhöht sich die Spannung am Thermogenerator, wenn man den Becher mit heißem Wasser in seine Nähe stellt? Der Becher strahlt Wärmestrahlung ab, die beim Auftreffen auf die vordere Platte des Peltier-Elements diese erwärmt. Hierdurch wird im Peltier-Element eine Thermospannung hervorgerufen. Auswertung - Frage 3 (0 Punkte) Wie erklärst du dir den Unterschied zwischen den gemessenen Spannungen ohne und mit Kunststoffscheibe? Die Kunststoffplatte absorbiert und reflektiert einen Teil der Wärmestrahlung, die vom Becher abgestrahlt wird. Dadurch trifft in diesem Fall weniger Wärmestrahlung auf das Peltier-Element, wodurch diese sich weniger erwärmt. Man misst in diesem Fall also eine geringere Spannung. Auswertung - Frage 4 (0 Punkte) Welcher auf der Erde auftretende Effekt wird hierdurch hervorgerufen? Welche Rolle spielen dabei der Becher mit heißem Wasser und die Kunststoffscheibe? Dieser Effekt ruft auf der Erde den Treibhauseffekt hervor. Die Kunststoffscheibe übernimmt in diesem Versuch die Rolle der Treibhausgase. Der Becher stellt die erwärmte Erde dar. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax: