Schulfernsehen. Schulfernsehen. Wohin mit der Wärme? Transport und Übertragung von Wärmeenergie. Ein Film von Wolfgang Voelker Beitrag: Rupert Emhofer

Transkript

1 Wohin mit der Wärme? Transport und Übertragung von Wärmeenergie Ein Film von Wolfgang Voelker Beitrag: Rupert Emhofer Inhalt Stoffe transportieren Wärme unterschiedlich gut, manche sind flinke, manche ausgesprochen schlechte Wärmeleiter. Zur Kennzeichnung dieser Eigenschaft hat jeder Stoff eine eigene Wärmeleitzahl im Vergleich zur Luft, die die Wärmeleitzahl 1 hat. Das Teilchenmodell erklärt, wie die Wärmeleitung in festen, flüssigen und gasförmigen Körpern funktioniert. fast Siedetemperatur an. Misst man unterhalb der erwärmten Schicht, sinkt die Temperaturmessgerät rasch auf die Raumtemperatur des Wassers ab. Auch Gase sind schlechte Wärmeleiter. Um diese Aussage zu belegen, reicht es, einige Tropfen Wasser auf eine heiße Herdplatte zu tropfen. Sie Wärmeleitung Energieübertragung in Stoffen Metalle sind ausgesprochen gute Wärmeleiter, die sich beim Kontakt mit einer Wärmequelle sehr schnell erhitzen. Darum sind Kochtöpfe meist mit Plastikgriffen versehen, damit man sich nicht verbrennt, wenn man den heißen Kochtopf vom Herd wegnehmen will. Mit der Wärmeleitzahl ist Kupfer ist einer der besten Wärmeleiter überhaupt. Daher wird hochwertiges Kochgeschirr aus Kupfer gefertigt. Wasser ist ein sehr schlechter Wärmeleiter. Das zeigt ein simpler Versuch mit einem Becherglas voll Wasser, dessen oberste Schicht durch einen Tauchsieder erwärmt wird. Misst man die Temperatur dieser Schicht, so zeigt das Thermometer verdampfen allerdings nicht sofort, sondern tanzen noch eine Weile auf der Herdplatte. Zwischen der Herdplatte und dem Wassertropfen bildet sich eine Schicht Wasserdampf (Leidenfrost Effekt), die eine Berührung der beiden Körper und somit auch eine weitere Wärmezufuhr verhindert. Bayerischer Rundfunk 1

2 Haut und Haar Natürliche Wärmeregulatoren Die Haut hilft dem Menschen, den Wärmehaushalt des Körpers zu regeln. Sie nimmt die Sonnenenergie auf und kann bei körperlicher Beanspruchung durch Schwitzen Wärme abgeben. Um sich vor Kälte zu schützen, ist es gut, wenn man Kleidungsstücke anzieht, die aus sehr schlechten Wärmeleitern gefertigt sind, wie z. B. Wolle. In der Tier- und Pflanzenwelt gibt es viele Beispiele, wie gerade dichte Behaarung zum transportiert. Die warme Luft über einer Kerze steigt auf, bis sie sich wieder abkühlt und zu sinken beginnt. Drachenflieger und Adler nützen diesen Effekt aus und können mit der warmen Luft Tausende von Metern in die Höhe steigen. Auch in Flüssigkeiten gibt es Konvektion. Einer der größten Flüssigkeitsströme ist der Golfstrom, Schutz vor Kälte dient. In der Behaarung der Tiere ist viel Luft (schlechter Wärmeleiter) eingeschlossen. So kann auch die Ente bei Eiseskälte überleben. Der Mensch schützt sich vor Kälte auch durch die Dämmung eines Hauses mit Styroporplatten, Korkplatten etc. Wärmestrahlung Energieübertragung ohne Stoffe Die warmen Sonnenstrahlen gelangen trotz des Vakuums des Weltalls auf die Erde. Dies geschieht durch Wärmestrahlung. Bei der Wärmestrahlung ist kein Zwischenstoff zur Energieübertra - gung nötig. In einer T hermosf lasch e wird der Raum zwischen der inneren und der äußeren Wand des Thermosgefäßes luftleer gepumpt. Dieser Kniff verhindert die Wärmeleitung. Weil die Flasche im Inneren verspiegelt ist, ist auch die Wärmestrahlung unterbunden. Konvektion Energieübertragung mit Stoffen Ein Drachenflieger, ein Adler und ein Heißluftballon zeigen die dritte Möglichkeit des Energietransports auf: die Konvektion. Bei der Konvektion wird die Energie mit dem zugehörigen Stoff der es ermöglicht, dass auch noch in Nordeuropa ein mildes Klima herrscht. Die Konvektion im Wasser lässt sich mit einem Versuch mit einem zu einer rechteckigen Form gebogenen Glasohr veranschaulichen. Durch die Konvektion ist es möglich, zur Wärmeversorgung von Häusern und Wohnungen Zentralheizungen zu bauen. Die Energie lässt sich von einem Heizkraftwerk über mehrere Kilometer zum Verbraucher in gut isolierten Rohren transportieren. Fakten 1. Wärmeleitung Energieübertragung in Stoffen Innerhalb der Körper Energie kann in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen durch Wärmeleitung übertragen werden. Die Wärmeleitung erfolgt von Stellen höherer Temperatur zu Stellen tieferer Temperatur. Wärmeleitung bei sich berührenden Körpern Der Energieübertrag bei sich berührenden Körpern, die unterschiedliche Temperatur besitzen, erfolgt durch Wärmeleitung in den Berührungsflächen. Erklärung der Wärmeleitung mit dem Teilchenmodell Die Teilchen des wärmeren Körpers treten mit den Teilchen des kälteren Körpers an den Berührungsflächen in Wechselwirkung Teilchen mit unterschiedlicher mittlerer Bewegungsenergie stoßen aneinander Bayerischer Rundfunk 2

3 schnellere Teilchen übertragen die Bewegungsenergie auf langsamere Teilchen Eigenbewegung der Teilchen im kälteren Körper nimmt zu Temperatur steigt Energieübertrag im Körper setzt sich durch Stöße von Teilchen zu Teilchen fort bis alle Teilchen höhere mittlere Bewegungsenergie besitzen Körper hat höhere Temperatur Bei der Wärmeleitung wird von Teilchen mit größerer Bewegungsenergie an Teilchen mit kleinerer Bewegungsenergie Arbeitet verrichtet, wodurch die Energie übertragen wird. Wärmeleitfähigkeit Metalle sind gute Wärmeleiter; verschiedene Metalle leiten die Wärme unterschiedlich gut. Auffallend ist die Parallelität zu guten elektrischen Leitern. Metalle besitzen freie Leitungselektronen. Wird nun ein Metall erwärmt, so erhöht sich die Bewegungsenergie der freien Leitungselektronen und die Energie kann schneller im Metall weitergeleitet werden. Nichtmetalle, Flüssigkeiten und Gase sind meist schlechte Wärmeleiter oder sogenannte Wärmeisolatoren. Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes kann durch seine Wärmeleitzahl gekennzeichnet werden. lässt sich für jeden anderen Stoff eine relative Wärmeleitzahl angeben. So ergeben sich für folgende Stoffe die zugehörigen Wärmeleitzahlen: Vakuum 0 Wolle 2 Daunen 2 Kork 2 Holz 10 Schnee 16 Wasser 23 Glas 35 Porzellan 60 Eisen 3000 Kupfer Nutzung guter Wärmeleitfähigkeit Eine rasche Wärmeübertragung wird erzielt, wenn Körper aus Metall verwendet werden, die eine möglichst große Übertragungsfläche für die Wärme besitzen. Beispiele: Bügeleisen Tauchsieder Kochtöpfe Bratpfannen Kühlrippen bei Motoren Heizkörper bei Zentralheizungen Nutzung schlechter Wärmeleitfähigkeit Eine Wärmeübertragung wird weitgehend unterbunden, wenn schlechte Wärmeleiter als Isolierstoffe verwendet werden. Porzellangeschirr Trinkgefäße aus Glas Kochlöffel aus Holz oder Kunststoff Daunenschlafsack Iglu (Schneehütte) Glaswolle zur Ummantelung von Heizungsrohren 2. Wärmestrahlung Energieübertragung ohne Stoffe Die Übertragung von Energie ohne Mitwirkung eines Zwischenstoffes heißt Wärmestrahlung. Wird für Luft die Wärmeleitzahl 1 festgelegt, so Emission von Wärme Alle Körper strahlen Energie ab. Je höher die Temperatur und je größer die Abstrahlungsfläche eines Wärmestrahlers sind, desto mehr Energie stahlt er ab. Bei gleicher Temperatur strahlen Körper mit einer dunklen, matten (rauen) Oberfläche in der gleichen Zeit mehr Energie ab, als Körper mit einer hellen, glänzenden Oberfläche. Bayerischer Rundfunk 3

4 Das Emissionsvermögen der Körper für Wärmestrahlung hängt ab somit ab von deren Temperatur, Größe der Oberfläche und Beschaffenheit der Oberfläche. Absorption von Wärmestrahlung Körper mit dunkler, matter Oberfläche absorbieren von der auftreffenden Wärmestrahlung mehr Energie als Körper mit heller, glänzender Oberfläche; die nicht absorbierte Wärmestrahlung wird reflektiert. Ein Körper, der viel Wärmestrahlung absorbiert, strahlt bei gleicher Temperatur auch viel Wärme ab. Die nicht sichtbare Wärmestrahlung bezeichnet man als infrarotes Licht. Erklärung im Teilchenmodell: Teilchen der Oberfläche nehmen durch Wärmestrahlung Energie auf, d.h. an den Teilchen wird Arbeit verrichtet. Die Heftigkeit der thermischen Bewegung dieser Teilchen nimmt zu. Die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen in der Oberfläche wird größer Die Temperatur in diesem Bereich steigt. Die weitere Ausbreitung der Energie im Körper erfolgt durch Wärmeleitung. Bedeutung der Wärmestrahlung Sonne (Winter, Sommer) Erde strahlt Wärme ab ( sternklare Nacht ) Treibhauseffekt Schneeoberfläche Kühlwagen, Kühlschränke etc. weiße Oberfläche Thermosgefäß Sonnenkollektoren Solarzellen 3. Konvektion Energieübertragung mit Stoffen Die Übertragung von Energie durch das Mitführen in einem Stoff nennt man Konvektion. Konvektion (Wärmemitführung) entsteht durch Erwärmen von Flüssigkeiten und Gasen (nicht bei Festkörpern). Bedingung ist die unterschiedliche Dichte in diesen Stoffen. Die Wärme wird von den strömenden Flüssigkeiten oder den Gasen durch Wärmeleitung auf kältere Körper übertragen. In einem Erdsatelliten gibt es keine Konvektion, weil sich das Gas im Zustand der Schwerelosigkeit (Gewichtslosigkeit) befindet. Beispiele: Warmwasserheizung Wasserkühlung eines Fahrzeugmotors Golfstrom Thermische Aufwinde Weihnachtspyramide (thermischer Aufwind) Erwärmung von Räumen Heißluftballon Didaktische Hinweise Die Sendung ist für den Einsatz im PCB- und Physikunterricht ab der 5. Jahrgangsstufe geeignet. Lehrplanbezüge Haupt-/Mittelschule 5. Jgst. PCB Temperatur und Wärme Transport von Wärme: Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung Realschule 9. Jgst. Physik I (3-stündig) 9.1 Wärmelehre Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmestrahlung Konvektion Bayerischer Rundfunk 4

5 Physik II/III (2-stündig) 9.1 Wärmelehre Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmestrahlung Konvektion Gymnasium 8 Jgst. Physik 8.2 Wärmelehre Änderung der inneren Energie durch Arbeit und Wärme Lernziele Die Schüler/innen sollen kennen lernen und verstehen dass es drei Arten der Übertragung von Wärme (Energie) gibt, dass bei Wärmeleitung die Energieübertragung in den Stoffen geschieht, dass man Stoffe in gute und schlechte Wärmeleiter einteilen kann, dass gute elektrische Leiter auch meist gute Wärmeleiter sind, welche Rolle gute und schlechte im alltäglichen Leben spielen dass die Wärmestrahlung keinen Zwischenstoff benötigt, wie die Energieübertragung von der Sonne auf die Erde funktioniert, dass bei der Konvektion die Energie mit einer Bewegung von Stoffen transportiert wird, die Konvektion nur mit Flüssigkeiten und Gasen möglich ist, warum die Konvektion für die tägliche Energieversorgung wichtig ist. Anregungen Die Sendung gliedert sich in fünf Abschnitte: Es wird zu Beginn der Sendung mit Hilfe des Wärmeempfindens von Menschen untersucht, welche Stoffe die Wärme gut leiten. Es zeigt sich, dass Metalle gute Wärmeleiter sind und Stoffe wie Glas oder Wasser schlechte Wärmeleiter. Beim Zubereiten von Speisen werden Töpfe aus Metall und Rührgeräte wie Kochlöffel aus Holz verwendet. (Abschnitt I) In einem Versuch wird die Wärmeleitfähigkeit von Wasser untersucht. Wasser und Wasserdampf sind schlechte Wärmeleiter. Mit dem Teilchenmodell kann dies erklärt werden. (Abschnitt II) Im Abschnitt III ausführlich auf die Wärmeleitung im täglichen Leben eingegangen. Es werden Beispiele gezeigt, wie der menschliche Körper die Wärmeleitung zur Regulierung der Temperatur verwendet. Mit vielen Beispielen aus der Tier und Pflanzenwelt wird die Anwendung von Wärmeleitern dargestellt Die Wärmestrahlung als weitere Energieübertragung wird mit Hilfe der Sonne eingeführt. Die Sonnenstrahlung gelangt trotz des Vakuums im Weltall zur Erde. (Abschnitt IV) Im letzten Abschnitt V wird auf die Konvektion als zentrale Energieübertragung für den Wärmehaushalt der Erde an Beispielen wie Wetter und Golfstrom eingegangen Tobi Tüftler hat ein Problem. Wie kann er den heißen Tee in seiner Tasse warm halten? Hilfe findet er im Internet. Bayerischer Rundfunk 5

6 Einsatz im Unterricht Der Abschnitt I führt sehr gut zu dem Thema Energieübertragung hin. Durch die Beispiele wird den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung der Energieübertrag im täglichen Leben bewusst gemacht. Durch die systematische Gliederung der Sendung ist es möglich, die einzelnen Abschnitte II und III für das Thema Wärmeleitung, den Abschnitt IV für das Thema Wärmestrahlung sowie das Thema Konvektion im Abschnitt V getrennt einzusetzen. Jeder Abschnitt ist dadurch gekennzeichnet, dass es durch Versuche unter Laborbedingungen möglich ist, die angesprochen Besonderheiten der jeweiligen Energieübertragung darzustellen. Auch in dieser Sendung wird das Teilchenmodell eingesetzt, wodurch die Funktionalität des Teilchenmodells verstärkt wird. Es bietet sich an, die komplette Sendung auch als Wiederholung oder Zusammenfassung des Themenbereichs der Energieübertrag einzusetzen. Literaturhinweise Dietmar Steiner, Rupert Ernhofer, Karl-Heinz Lutz, Holger Wolfshöfer: Newton Physik I-III Gebundene Ausgabe: 255 Seiten; Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH; 2005; München; ISBN Hans Leopold, Rudolf Zins: Physik 10I C. C. Buchner Verlag; 1984; Bamberg; ISBN X Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Lehrbuch der Experimentalphysik 1. Mechanik - Akustik - Wärme: Band 1; Walter de Gruyter; 2008; München; ISBN Links Wärmeleitung Wärmestrahlung Konvektion Der Golfstrom Bayerischer Rundfunk 6