Kühlschrank Wärmekraftmaschinen

Transkript

1 Heike Hofmann Kühlschrank Wärmekraftmaschinen Fertige Stunden zum Thema Wärme und Energie Nach der Lernmethodik von Dr. Heinz Klippert Heike Hofmann Downloadauszug aus dem Originaltitel: Physik Wärme und Temperatur Wärme und Energie

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3 Wärme und Energie LS 06 LS 06 Zur Erklärung des Kühlschranks ein Graf-iz anfertigen Zeit Lernaktivitäten Material Kompetenzen 1 PL 5 L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunde. 2 EA 10 Die S bearbeiten das Material M1. M1 3 PA 10 Tandems vollziehen den Aufbau und die Wirkungsweise nach und notieren offene Fragen. 4 GA 15 Tandems stellen sich ihre Erkenntnisse gegenseitig vor und überlegen, wie das Graf-iz aussehen könnte. M2 5 EA 25 S fassen die Informationen in einem Graf-iz zusammen. 6 PA 10 Die S erläutern im Doppelkreis die Wirkungsweise des Kühlschranks. 7 PL 10 Ausgeloste Schüler präsentieren vor der Klasse. M3 einen Fachtext sinnerfassend lesen Kenntnisse über physikalische Sachverhalte wiedergeben Wissen anschaulich und strukturiert darstellen Aussagen der Mitschüler verfolgen, hinterfragen und beurteilen Vorgä Vorgänge beschreiben und auf bestimmte physikalische Zusammenhänge zurückführen Erläuterungen zur Lernspirale Merkposten Ziel der Doppelstunde ist die Erarbeitung der Wirkungsweise einer Kältemaschine am Beispiel des Kühlschranks. Zur Konsolidierung des Wissens sollen die Schüler ein Graf-iz anfertigen n und dies anschließend zur Erklärung nutzen. Zum Ablauf im Einzelnen: Im 1. Arbeitsschritt itt erläutert der Lehrer den geplanten Stundenverlauf. erlauf. Auftretende Fragen zur Partner- und Gruppenbildung können geklärt werden. Für den 2. Arbeitsschritt erhalten Schüler das Material M1. Es beinhaltet Informationen onen zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Kühlschranks. Das Material besteht aus vier Blöcken: Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Verengung. Über den Einsatz entscheidet die Leistungsstärke der Klasse. Variante 1: Alle Schüler erhalten das komplette Material M1. Variante 2: Das Material M1 wird halbiert und jeder Schüler erhält einen Teil des Materials. Im folgenden Arbeitsschritt wird dann ein Tandem den kompletten Kreislauf gemeinsam erarbeiten. Variante 3: Das Material wird geviertelt und jeder Schüler erhält einen Teil des Materials. Im folgenden Arbeitsschritt werden Vierergruppen gebildet. Diese Gruppe erarbeitet die Wirkungsweise des Kühlschranks gemeinsam. 1 Nach Variante 1 und 2 werden im 3. Arbeitsschritt Tandems gebildet. Die Schüler erklären sich ge- genseitig den Aufbau und die Wirkungsweise des Kühlschranks bzw. setzen diese fort. Offene Fragen werden notiert und im Anschluss s an diesen Arbeitsschritt im Plenum vorgetragen und besprochen. Im Falle von Variante ante 3 werden Gruppen gebildet, die die beschriebene Aufgabe gemeinsam lösen. Im 4. Arbeitsschritt itt finden sich zwei Tandems zu einer Gruppe (wenn n diese nicht bereits durch Variante 3 gebildet sind) zusammen. Sie stellen sich ihre Erkenntnisse gegenseitig vor, prüfen das Gehörte, ergänzen und berichtigen, wenn nötig. In einem zweiten Teil der Gruppenarbeit überlegen sich die Schüler, wie ein Graf-iz zum Thema Kühlschrank aussehen könnte. Dazu erklärt der Lehrer, wie ein Graf-iz aufgebaut ist. Zum besseren Verständnis oder wenn ein Graf-iz noch unbekannt ist, kann jeder Gruppe ein Musterblatt (M2) vorgelegt werden. In Einzelarbeit fertigt jeder Schüler im 5. Arbeitsschritt ein eigenes Graf-iz zur Wirkungsweise eines Kühlschranks an. Im 6. Arbeitsschritt stellen sich die Schüler in einem Doppelkreis auf. In mehreren Runden erklären sich die Schüler gegenseitig mithilfe ihres Graf-iz den Aufbau und die Wirkungsweise des Kühlschranks. Abschließend werden in einem 7. Arbeitsschritt Schüler ausgelost, die ihre Erkenntnisse im Plenum vortragen. Zum Schluss kann ein Feedback an den Vortragenden gegeben werden. Die Partner- und Gruppenbildung kann hier durch Spielkarten erfolgen. Partner sind zum Beispiel die roten Könige, die roten Damen usw., Gruppen werden dann alle Könige, alle Damen, Als Informationsmaterial M1 kann das Kapitel zu Wärmepumpen aus dem vorhandenen Lehrbuch genutzt werden. Falls möglich, kann auch ein Film zum Thema gezeigt werden.

4 LS 06.M1 Wärme und Energie 06 Zur Erklärung des Kühlschranks ein Graf-iz anfertigen Aufbau und Wirkungsweise eines Kühlschranks Verdampfer Die Temperatur der Lebensmittel ist höher als die Temperatur im Inneren des Kühlschranks. Ein thermischer Strom wird in Gang gesetzt. Die Lebensmittel geben Wärme ab und dadurch sinkt ihre Temperatur. Damit der Kühlschrank funktioniert, braucht man ein Kühlmittel, welches durch ein Rohrsystem in einem Kreislauf fließt. Das Kühlmittel hat eine besondere Eigenschaft. Es siedet bereits bei ca. 30 C. Da das Kühlmittel durch ein Rohrleitungssystem auch durch das Innere des Kühlschranks fließt, nimmt es die abgegebene Wärme auf. Die thermische Energie des Kühlmittels nimmt zu, die Temperatur erhöht sich und es wird im Verdampfer gasförmig. Kompressor Das Gas im Rohrleitungssystem wird durch eine Pumpe aus dem Kühlschrankinneren gepumpt. pt. Mit dem Gas wird die Wärme, die als thermische Energie gespeichert ist, abtransportiert und in den Verflüssiger gepresst. Um das Kühlmittel l wieder zu verflüssigen (also kondensieren zu lassen), müsste die Temperatur hier unter 30 C liegen. Da der Kühlschrank jedoch in einem Raum steht, herrscht meis- tens Zimmertemperatur. Verflüssiger Das schnelle Hineinpressen des Gases in den Verflüssiger erhöht den Druck innerhalb des Gases. Wegen einer Verengung (dünnes Rohr) am anderen Ende des Verflüssigers kann es nicht so schnell entweichen, wie es hineingepresst wird. Mit der Druckerhöhung steigt auch die Temperatur, bei der das Kühlmittel flüssig wird, auf Zimmertemperatur. An den kälteren Rohren des Verflüssigers wird aus dem Gas eine Flüssigkeit, weil es daran kondensiert. Die frei werdende Wärme wird in den Raum außerhalb des Kühlschranks abgegeben. 2 Verengung Die Verengung wird auch Drossel genannt. Dabei handelt es sich meistens um einen dünnes Röhrchen. Es verhindert den schnellen Rückfluss des Gases in den Verdampfer. Erst als flüssiges Kühlmittel kommt es im Rohrsystem zurück ins Kühlschrankinnere. Jetzt kann der Kreislauf von Neuem beginnen. Das flüssige Kühlmittel im Verdampfer nimmt Wärme auf und wird gasförmig Der Kühlschrank ist demnach ein technisches Gerät, das Lebensmittel kühlt, indem es ihnen die Wärme entzieht.

5 Wärme und Energie LS 06.M2 Graf-iz Erklärung Gib deinem Graf-iz einen Namen und schreibe ihn in dieses Feld. Name: Datum: Konzentriere dich in deinem Graf-iz auf das Wesentliche Stelle die Informationen in einem selbst gezeichneten Bild dar Zusätzlich schreibst du kurze Schlagzeilen, die in diesen Bereich des Graf-iz gehören eine inhaltliche Zusammenfassung als einen zusammenhängenden Text schreibst du ins Feld unter das Bild Ein Graf-iz ist immer gleich aufgebaut. Es verbindet ein Bild mit Stichpunkten und einem Text zum gleichen Thema. Oben links gehört eine genaue Bezeichnung hin, daneben ist Platz für deinen Namen und das Datum. In das linke Feld darunter machst du eine Zeichnung vom Sachverhalt. Das ist nicht immer leicht, hilft aber, den Inhalt besser zu verstehen. Du kannst nst ein Mindmap zeichnen, eine Skizze machen, ein Diagramm oder Ähnliches. Etwas einzukleben ist verboten! Rechts daneben werden ganz wenige wichtige Aussagen stichpunktartig aufgeschrieben. Darunter kommt der zusammenhängende Text, der den Sachverhalt noch einmal mit eigenen Worten beschreibt. Ganz unten ist Platz für weitere Informationsquellen, Hinweise oder Links. Natürlich ist da auch Platz für eine Bewertung. 3 Hier unten kannst du die Quellen für weitere Informationen zum Thema angeben.

6 LS 06.M3 Wärme und Energie Graf-iz Vorlage Thema Kühlschrank Zeichnung: Name: Datum: Überblick: Text: 4

7 Wärme und Energie LS 07 LS 07 Zu Wärmekraftmaschinen eine Präsentation erstellen Zeit Lernaktivitäten Material Kompetenzen 1 PL 5 L gibt einen Überblick über den bevorstehenden Ablauf der Stunde. 2 EA 20 Die S lesen die Informationen zum Otto- oder Dieselmotor. 3 PA 30 Im Tandem wird vertieft recherchiert und die ersten Folien werden entworfen. 4 EA 30 Die S gestalten ihre Folien in EA am Computer. 5 PA 25 Im Tandem werden die Animation und die Notizen für den Begleitkommentar besprochen. 6 EA 40 Die S stellen ihre Präsentation fertig. Ausgeloste S stellen die Präsentation vor. M1a und M1b 7 PL 10 Die Zuhörer geben ein Feedback und begründen. M2 eine PowerPoint-Präsentation erstellen Sachverhalte fachsprachlich und strukturiert darstellen recherchieren einen Vortrag halten Feedback geben Erläuterungen zur Lernspirale Merkposten Ziel der beiden Doppelstunden ist die Erstellung einer PowerPoint-Präsentation (oder einer Open- Office-Variante). Die Schüler sollen eigenverantwortlich zum Aufbau, der Wirkungsweise, e, Geschichte und den Nachteilen der Wärmekraftmaschinen recherchieren. Gleichzeitig sollen sie sich im Umgang mit einem Präsentationsprogramm ra üben und so ihre Medienkompetenz steigern. Zum Ablauf im Einzelnen: Im 1. Arbeitsschritt erläutert der Lehrer den geplanten Stundenverlauf, erinnert gegebenenfalls an das Verhalten im Computerraum. Offene Fragen zum mverlauf der Stunde werden beantwortet. Im 2. Arbeitsschritt erhalten die Schüler entweder das Material M1a oder M1b. Sie lesen en die Informationen zum Otto- oder Dieselmotor und erhalten so erste Kenntnisse zum Aufbau und der Wirkungsweise einer er Wärmekraftmaschine. Gemeinsam mit einem textgleichen Partner wird im 3. Arbeitsschritt die Recherche vertieft und erste Folien werden auf Papier entworfen. In einem Zwischenschritt können sich auch neue textgleiche Paare finden, die ihre Entwürfe vergleichen und absprechen. Im sich anschließenden 4. Arbeitsschritt wird von jedem Schüler eine Präsentation (vorerst ohne Animationen) am Computer erstellt. Im 5. Arbeitsschritt kommen die Tandempaare von Schritt 3 wieder zusammen. Sie besprechen ihren aktuellen Arbeitsstand, diskutieren über die Animationen und überlegen sich die Begleittexte für ihre Präsentation. 5 Im 6. Arbeitsschritt ritt werden die Präsentationen fertiggestellt. ellt. Die Schüler animieren die Folien und proben ihre Präsentation, bevor durch ein Zufalls- lsverfahren einige Schüler zur Vorführung ausgelost werden. Notwendigerweise sollte jeder er Motorentyp dabei vertreten sein. Abschließend geben die Zuhörer im 7. Arbeitsschritt ein aussagekräftiges ges Feedback zur inhaltlichen Seite der Präsentation, aber auch zur techni- schen Ausführung. Dazu kann der Kriterienbogen (M2) verwendet werden. M2 Kriterien für eine Präsentation Beurteile die Leistung, indem du Punkte von 1 (schwach) bis 5 (stark) vergibst. Punkte Fachlicher Bereich Inhaltlich richtig Verständlich erklärt Lernprodukt Gute Gestaltung (Schrift, Größe, Farben, Texte und Bilder, ) Kreative Idee Präsentation Deutlich und laut gesprochen Blickkontakt Körperhaltung Gesamtpunkte /35 Grundkenntnisse der Schüler bei der Erstellung einer Präsentation sind für die edurchführung der Lernspirale erforderlich. Angaben für die PowerPoint können sein: 4 5 Folien insgesamt (Titel, zum Erfinder, Aufbau, Wirkungsweise) nur Stichpunkte klare Schriftart groß genug (mindestens 24 Punkte) Text und Bild verteilen wenig Animation (für eine/zwei Varianten entscheiden)

8 LS 07.M1a Wärme und Energie 07 Zu Wärmekraftmaschinen eine Präsentation erstellen Ottomotor und PowerPoint-Präsentation 1 Zylinder 2 Kolben 3 Pleuel 4 Kurbelwelleelle 5 Einlassventil 6 Einlasskanal 7 Zündkerze 8 Auslassventil 9 Auslasskanal 10 Schwungmasse In einem Verbrennungsmotor wird aus chemischer Energie (Benzin oder Dieselöl) durch eine e explosionsartige Verbrennung thermische Energie erzeugt. Diese e Energie wird unter anderem in mechanische e Energie umgewandelt das Fahrzeug bewegt sich. Das Prinzip des Ottomotors ors lässt sich in vier Takten beschreiben: 1. Takt: Ansaugen n Der Kolben bewegt sich im Zylinder nach unten. Der niedrige Druck im Zylinder saugt ein Benzin-Luft-Gemisch an, das durch das offene Einlassventil eindringt. 2. Takt: Verdichten Beide Ventile sind geschlossen sen und der Kolben bewegt sich nach oben. Dabei wird das Gemisch zusammengepresst. Der Druck und damit die Temperatur des Gemisches wird dhöher. 3. Takt: Arbeiten Durch einen Funken der Zündkerze entzündet sich das Gemisch. Explosionsartig dehnen sich die Gase aus, drücken den Kolben nach unten n und treiben damit die Kurbelwelle an. 4. Takt: Ausstoßen Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt die Abgase aus dem Auslassventil. In den Zylindern eines Motors ors laufen diese Takte zeitversetzt ständig ab. 6 Takt 1 Takt 2 Takt 3 Takt 4 Nicolaus August Otto lebte von 1832 bis Er entwickelte bis 1876 aus der Dampfmaschine den 4-Takt-Ottomotor. Nachteil Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wird nicht nur mechanische Energie zum Antrieb erzeugt. Ein großer Teil der eingesetzten Energie wird als Wärmeenergie durch die Abgase in die Umwelt geblasen. Der sogenannte Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie tatsächlich genutzt wird. Der Wirkungsgrad des Ottomotors liegt gerade mal bei ca. 25 %. Das heißt, nur etwa ein Viertel der zugeführten Energie wird für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt.

9 Wärme und Energie LS 07.M1b Dieselmotor und PowerPoint-Präsentation 1 Zylinder 2 Kolben 3 Pleuel 4 Kurbelwelle 5 Einlassventil 6 Einspritzdüse 7 Auslassventil 8 Schwungmasse In einem Verbrennungsmotor wird aus chemischer Energie (Benzin oder Dieselöl) durch eine explosionsartige Verbrennung thermische Energie erzeugt. Diese Energie wird unter anderem in mechanische e Energie umgewandelt das Fahrzeug bewegt sich. Das Prinzip des Dieselmotors lässt sich in vier Takten beschreiben: 1. Takt: Ansaugen Der Kolben bewegt sich im Zylinder nach unten. Der niedrige Druck im Zylinder saugt Luft an, die durch das offene Einlassventil il eindringt. 2. Takt: Verdichten Beide Ventile sind geschlossen ssen und der Kolben bewegt sich nach oben. Dabei wird die Luft zusammengepresst und auf ca. 600 C erwärmt. In diesem Augenblick wird Dieselkraftstoff elk in den Zylinder eingespritzt. 3. Takt: Arbeiten Durch die hohe Temperatur von ca. 600 C entzündet sich das Gas selbst. Explosionsartig dehnen sich die Gase aus, drücken den Kolben nach unten und treiben damit die Kurbelwelle an. 4. Takt: Ausstoßen Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt die Abgase aus dem Auslassventil. In den Zylindern eines Motors ors laufen diese Takte zeitversetzt ständig ab. 7 Takt 1 Takt 2 Takt 3 Takt 4 Rudolf Diesel lebte von 1858 bis Er war ein deutscher Ingenieur meldete er seine Wärmekraftmaschine zum Patent in Berlin an lief das erste funktionstüchtige Modell. Nachteil Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wird nicht nur mechanische Energie zum Antrieb erzeugt. Ein großer Teil der eingesetzten Energie wird als Wärmeenergie durch die Abgase in die Umwelt geblasen. Der sogenannte Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie tatsächlich genutzt wird. Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors (ca. 35 %) ist höher als bei einem Ottomotor (ca. 25 %). Allerdings stößt ein Dieselmotor mehr Ruß und Stickoxidteilchen in die Umwelt als ein Ottomotor. Aus diesem Grund fahren Dieselfahrzeuge mit Rußfiltern.

10 Individuelle Förderung bei gleichzeitiger Lehrerentlastung Dieser Download ist ein Auszug aus dem Originaltitel Wärme und Temperatur Wärme und Energie Über diesen Link gelangen Sie direkt zum Produkt: Weitere Downloads, E-Books und Print-Titel des Programms ms von Klippert Medien finden Sie unter ww.k Bildquellenverzeichnis: S. 6: Nicolaus August Otto, /pD-old-100. S. 7: Rudolf Christian Karl Diesel, el, /pD-old Klippert Medien AAP Lehrerfachverlage GmbH Alle Rechte vorbehalten. Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werks ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte oder für die Veröffentlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlags. Sind Internetadressen in diesem Werk angegeben, wurden diese vom Verlag sorgfältig geprüft. Da wir auf die externen Seiten weder inhaltliche noch gestalterische Einflussmöglichkeiten haben, können wir nicht garantieren, dass die Inhalte zu einem späteren Zeitpunkt noch dieselben sind wie zum Zeitpunkt der Drucklegung. Der Persen Verlag übernimmt deshalb keine Gewähr für die Aktualität und den Inhalt dieser Internetseiten oder solcher, die mit ihnen verlinkt sind, und schließt jegliche Haftung aus. Autor: Heike Hofmann Covergestaltung: fotosatz griesheim GmbH Norbert Funk Umschlagfoto: fotolia.com # Illustrationen: Steffen Jähde