KULMBACH. Untersuchungen mit der Wärmebildkamera - Wasserzirkulation. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht KULMBACH Untersuchungen mit der Wärmebildkamera - Wasserzirkulation Malte Schubert Arne Olgemöller Schule: Gymnasium Ernestinum Coburg Jugend forscht 2018

2 2018 Untersuchungen mit der Wärmebildkamera - Wasserzirkulation von Kurzfassung: Wir untersuchen mit der Wärmebildkamera die Vorgänge beim Erwärmen und Abkühlen von Flüssigkeiten. Außerdem beobachten wir Vermischungsvorgänge. Zur Überprüfung der Temperaturangaben auf dem Display der Wärmebildkamera vergleichen wir immer wieder mit der Temperaturmessung mithilfe eines Thermometers. Gliederung: 1. Einleitung 1.1 Themenwahl 1.2 Literatur und Hilfsmittel 2. Hauptteil 2.1 Vorversuche zur Überprüfung der Temperaturangabe der Kamera 2.2 Temperaturänderung von Wasser in verschiedenen Bechern Erwärmung von kaltem Wasser Abkühlung von warmen Wasser 2.3 Schichtung von Wasser unterschiedlicher Temperaturen 2.4 Vermischung von warmen und kalten Wasserschichten Temperaturveränderungen ohne Einfluss Temperaturveränderungen bei Fönwind auf der Wasseroberfläche 2.5 Vergleich der Ergebnisse 2.6 Vergleich mit dem See 3. Schluss

3 1. Einleitung 1.1 Themenwahl Natürliche fanden wir erst einmal die Wärmebildkamera toll. Wir machten Fotos von unseren Händen und Köpfen, von Fenstern und Geräten und vielem mehr. Dann kamen wir auf die Idee, zu testen, ob unsere Muskeln, nachdem sie gearbeitet haben, wärmer sind. Dazu fotografierten wir sie, vor und nachdem wir Liegestütze gemacht hatten, mit der Wärmebildkamera. Doch es war gar nicht so einfach einen Temperaturunterschied abzulesen. Also riet uns unsere Lehrerin erst einmal unterschiedlich warmes und kaltes Wasser zu fotografieren und die Temperatur mit dem Thermometer zu messen. So kamen wir auf unser Thema. Wir experimentierten mit unterschiedlichen Wassertemperaturen in unterschiedlichen Behältern und entdeckten Spannendes. 1.2 Literatur und Hilfsmittel Wir recherchierten im Internet und lasen in der Anleitung für die Wärmebildkamera. 2. Hauptteil 2.1 Vorversuche zur Überprüfung der Temperaturangabe der Kamera Zuerst wollten wir wissen, ob die Wärmebildkamera die richtigen Temperaturen angibt und wie man sie richtig abliest. Dazu haben wir Bechergläser mit Wasser unterschiedlicher Temperatur befüllt, sie mit der Wärmebildkamera fotografiert und gleichzeitig die Temperatur mit dem Thermometer gemessen. Wir kamen zu folgenden Ergebnissen: Kamera 46,2 C 37,6 C 27,3 C 17,7 C 6,6 C Thermometer 45 C 36 C 26 C 17 C 6 C Beispielbilder von der Wärmebildkamera: (beide Messmethoden) Seite 2

4 Durch den Vergleich ist zu erkennen, dass die Temperaturwerte der Wärmebildkamera mit der des Thermometers übereinstimmen. Die Kamera misst immer den Temperaturwert an der Stelle, die mit einem Kreuz mit Kreis und Dreieck gekennzeichnet ist. Die Farbabstufungen geben die anderen Temperaturen an. Diese kann man mit Hilfe der Leiste unten abschätzen. 2.2 Temperaturänderung von Wasser in verschiedenen Bechern Überall gibt es jetzt Isolierbecher und spezielle Becher für Coffee-to-go aus Bambus zu kaufen. Wir wollten sehen, ob diese Becher wirklich etwas bewirken und das Getränk warm oder kalt halten Erwärmung von kaltem Wasser Wir befüllten jeweils ein Glas und einen Isolierbecher mit kaltem Wasser und fotografierten beide. Außerdem haben wir die Temperatur 20 min lang gemessen. Ergebnisse: Start 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 10 min 20 min Glas 9 C 9 C 9 C 9 C 10 C 10 C 11 C 12 C Becher 9 C 9 C 9 C 9 C 9 C 9 C 9 C 10 C Der Isolierbecher hält das Getränk ein bisschen besser kühl! Abkühlung von warmen Wasser Wir befüllten jeweils ein Glas und den Isolierbecher bzw. den Becher aus Hanf mit warmen Wasser und fotografierten beide. Außerdem haben wir die Temperatur 20 min lang gemessen. Seite 3

5 Ergebnisse: Test des Isolierbechers: Start 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 10 min 20 min Glas 58 C 53 C 52 C 50 C 50 C 48 C 45 C 40 C Isolierbecher 58 C 54 C 54 C 54 C 53 C 50 C 50 C 47 C Test des Bambusbechers: Start 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 10 min 20 min Glas 51 C 50 C 50 C 49 C 48 C 46 C 43 C 37 C Bambusbecher 51 C 51 C 51 C 49 C 48 C 47 C 43 C 38 C Bilder: Isolierbecher Bambusbecher Seite 4

6 An unseren Ergebnissen und den Aufnahmen mit der Wärmebildkamera kann man erkennen, dass der Bambusbecher nicht besser isoliert als das Glas. Der Isolierbecher hingegen hält das Getränk viel länger warm bzw. kalt. Die Wand des Bechers bleibt trotz des heißen Inhalts kalt, was man sehr gut an der blauen Farbe des Bildes sehen kann. Der Bambusbecher wird außen heiß (rote/ weiße Farbe). Das ist der Grund, weshalb noch ein zusätzlicher Gummischutz dabei ist, dass man sich nicht die Hände verbrennt. Heißer Inhalt 2.3 Schichtung von Wasser unterschiedlicher Temperaturen Als erstes haben wir ein Thermometer mit Tesafilm in der Ecke einer Glaswanne befestigt, so dass man es gut ablesen kann, und kaltes Wasser eingefüllt. Danach haben wir eine Folie, die wir aus einem Gefrierbeutel geschnitten haben, daraufgelegt. Dann haben wir langsam warmes Wasser reingefüllt, so dass sich das warme Wasser gleichmäßig auf der Folie ausbreitet. Nun kann man auffüllen bis die Schichten ungefähr gleich groß sind. Dann muss man die Folie ganz vorsichtig herausziehen. Nun haben wir noch mit Hilfe eines Stativs ein Thermometer in der oberen Schicht befestigt. Bilder mit der Wärmebildkamera: Kaltes und warmes Wasser wird in 500 ml Messzylindern bereitgestellt. Seite 5

7 Das rechteckige Glasgefäß ist noch leer. Daneben steht das warme Wasser in einem 500 ml Messzylinder. Nach mehrmaligen probieren haben wir eine Schichtung hinbekommen. Warme Schicht Kalte Schicht Seite 6

8 2.4 Vermischung von warmen und kalten Wasserschichten Nun wollten wir wissen, wie lange es dauert, bis sich das warme und das kalte Wasser vermischt haben Temperaturveränderungen ohne Einfluss Um die Temperaturveränderung zu beobachten, haben wir die Temperatur von den beiden Thermometern alle 5 min über eine halbe Stunde abgelesen und Fotos mit der Wärmebildkamera gemacht. Temperatur oben Temperatur unten Start 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min 30 min 36 C 34 C 32 C 30 C 29 C 28 C 27 C 17 C 17 C 18 C 18 C 18 C 19 C 19 C Nach 12 min: Nach 28 min: Bis zum Schluss war immer noch eine Schichtung erkennbar! Temperaturveränderungen bei Föhnwind (Stufe 1) auf der Wasseroberfläche Da sich bei dem ersten Versuch so lange nichts tat, haben wir mit einem Föhn Wind gemacht. Zuerst bliesen wir nur mit der Stufe 1. Anschließend führten wir den Versuch noch einmal mit der Stufe 2 durch. Den Föhn befestigten wir ein einem Stativ und ließen ihn während er gesamten Versuchszeit laufen. Seite 7

9 Versuchsaufbau: Messergebnisse bei Stufe 1: Temperatur Oben in C Temperatur Unten in C Start min min min min min min min min min min min Bild 1 Bild 2 Kaltes Wasser ist eingefüllt. Die Bechergläser mit heißem Wasser stehen bereit. (Bild 1) Die das erste mit heißem Wasser wurde eingefüllt. (Bild 2) Jetzt kommen ein paar Bilder von der Schichtung und wie sie sich mit der Zeit verändert und auflöst. Seite 8

10 Man erkennt an der Farbe, dass die Temperatur in der oberen Schicht sich schneller verändert. Es entstehen Verwirbelungen. Das kalte Wasser wird nach oben transportiert und vermischt sich nach und nach mit dem warmen Wasser. Die Wanne oberhalb des Wasserspiegels wird durch den Fön erwärmt und wird deshalb rot. Seite 9

11 Kurz vor Ende des Versuchs ist kaum ein Farbunterschied zu erkennen. Die Schichtung hat sich aufgelöst. Messergebnisse bei Föhnwind (Stufe 2) auf der Wasseroberfläche Start 3 min 5 min Temperatur 46 C 30 C 29 C oben Temperatur unten 11 C 30 C 29 C Hier geht die Verwirbelung viel schneller. Die Temperaturen gleichen sich an. Das Vermischen vom warmen und kalten Wasser kann man auch bei den Bildern mit der Wärmebildkamera deutlich erkennen. Seite 10

12 2.5 Vergleich der Ergebnisse Mit dem Thermometer kann man die Temperaturveränderung exakt messen. Die Messergebnisse stimmen mit denen der Wärmebildkamera überein. Diese gibt uns aber noch mehr Informationen. Die Temperatur von mehreren Dingen kann gleichzeitig gemessen werden. So sind z.b. die Oberfläche des heißen Wassers und die Wand des Bechers gleichzeitig zu erkennen. So wird sofort klar, dass der Bambusbecher die Wärme im Gegensatz zum Isolierbecher nicht so gut zurückhält. Die Verwirbelungen im Wasser und die Schichtung kann man mit dem Thermometer nicht sehen. Mit der Wärmebildkamera kann man den Mischvorgang beobachten. Ohne Wind ist die Schichtung der unterschiedlichen Wassertemperaturen erstaunlich stabil. Durch unterschiedlich starken Wind wird sie mehr oder weniger schnell aufgehoben. 2.6 Vergleich mit dem See Wenn man im Sommer, wenn es heiß ist, badet, kann man auch die Schichtung des kalten und warmen Wassers spüren. Oben ist das Wasser schön warm und unten ist es kalt, wenn man mit den Füssen nach unten kommt. Das Wasser vermischt sich nur sehr langsam. Bläst aber ein Wind oder gibt es Wellen wie am Meer, kann man keine Schichten spüren. Das warme und kalte Wasser wird schnell vermischt. 3- Schluss Wie wir weiter forschen wissen wir noch nicht. Vielleicht versuchen wir das warme und kalte Wasser mal durch eine senkrechte Folie zu trennen. Geht das überhaupt und vermischt es sich dann schneller? Vielleicht wissen wir am Wettbewerb mehr. Nach Abgabe des Forschungsberichts führten wir das im Schluss angesprochene Vorhaben durch und konnten folgende Ergebnisse beim Wettbewerb vorstellen. Kaltes und warmes Wasser senkrecht geteilt was passiert? Versuchsaufbau: Seite 11

13 Kaltes (16 C) und warmes (45 C) Wasser werden gleichzeitig in ihre Hälften eingefüllt, anschließend die Glaswand entfernt und die Vorgänge mit der Wärmebildkamera verfolgt. Veränderungen mit der Wärmebildkamera sichtbar gemacht: Ergebnis: Das warme Wasser hat die geringere Dichte als das kalte Wasser. Es kann beobachtet werden, dass sich das warme Wasser über das kalte Wasser schiebt! Seite 12