Hinweise für die Lehrkräfte Der Inhalt der Arbeitsblätter orientiert sich vor allem am Lehrplan des G8 für die 8. und 9. Klasse Chemie im Rahmen der Unterrichtsgegenstände Teilchenmodell und Aggregatzustandsänderungen und Salze ( 8. Klasse NTG, 9.Klasse SG), sowie chemische Energetik (9. Klasse NTG). Die vorliegenden Arbeitsblätter enthalten vor allem experimentelle Zugänge zum Projektthema. Fächerübergreifend kann auch die Latentwärme von Natriumacetat Trihydrat quantitativ bestimmt werden. (Hierbei entstehen zusätzliche Bezüge zum Lehrplan der 8. Klasse Physik im Bereich der Wärmelehre/Energetik sowie im Profilbereich des NTG kann das eigenverantwortliche Forschen gefördert werden.)
1. Einfache Versuche zum Thema Aggregatszustandsänderungen Verdampfen von Spiritus Material: großes Becherglas, Luftballon, Wasser, Dreifuß mit Drahtnetz, Pasteurpipette, Bunsenbrenner, Spiritus, Tiegelzange; Durchführung: Erhitzt in einem Becherglas etwa 500 ml Wasser bis zum Sieden (Bunsenbrenner, Dreifuß). Gebt in einen Luftballon einige ml Spiritus und verschließt den Ballon mit einem Knoten. Taucht mit Hilfe der Tiegelzange den Ballon in das siedende Wasser. 1. Formuliert eure Beobachtungen. Fertigt hierzu auch eine entsprechende Skizze an. 2. Skizziert eure Vorstellung von den Vorgängen während des Versuchs. 3. Diskutiert eure Ergebnisse mit einer Nachbargruppe, die denselben Versuch durchgeführt hat. Zerknautschte Getränke Dose Material: Bunsenbrenner, Tiegelzange, Glaswanne mit kaltem Wasser, leere Getränke Dose. Durchführung: Füllt ca. 5 10 ml Wasser in eine leere Getränkedose. Erhitzt die Dose von unten (Tiegelzange) bis das Wasser siedet (Wasserdampf sollte aus der Dose aufsteigen!). Taucht die Dose nun so zügig wie möglich mit der Öffnung nach unten in eine Wanne mit kaltem Wasser. Erklärt euer Versuchsergebnis mit Hilfe von Skizzen, die die Anordnung der Teilchen in der Dose vor und nach dem Abkühlen darstellen. 1. Formuliert eure Beobachtungen. Fertigt hierzu auch eine entsprechende Skizze an. 2. Skizziert eure Vorstellung von den Vorgängen während des Versuchs. 3. Diskutiert eure Ergebnisse mit einer Nachbargruppe, die denselben Versuch durchgeführt hat.
2. Wie funktioniert ein Wärmekissen? Geräte und Chemikalien: Wasserbad zum Erhitzen, Bunsenbrenner, Dreifuß mit Drahtnetz. Thermometer, Tiegelzange, Pasteurpipette, Waage, Natriumacetat Trihydrat. Durchführung: 25 g Natriumacetat Trihydrat werden in ein kleines Becherglas gegeben und noch 2 ml Wasser zugegeben. Im Anschluss wird das Salz im Wasserbad vorsichtig erhitzt, bis es vollständig geschmolzen ist. Stelle nun das Becherglas zum Abkühlen auf die Seite. Füge nun einen kleinen Kristall des festen Salzes zur abgekühlten Schmelze hinzu und miss die Temperatur im Becherglas in Minutenabständen. Formuliere deine Beobachtungen in dein Versuchsprotokoll. Protokolliere deine Messergebnisse in einer übersichtlichen Tabelle. Trage deine Messergebnisse in einem Zeit Temperatur Diagramm auf. Achte auf eine sinnvolle Achseneinteilung. Recherchiere: Warum wird dem Salz noch zusätzlich ein wenig Wasser zugegeben? Lösung: Es werden Temperaturen bis über 50 C erreicht (Schmelztemperatur: 58 C). Das Wasser wird zugegeben, damit der Verlust an Kristallwasser beim Erhitzen des Salzes ausgeglichen wird. Ansonsten entsteht das Di bzw. Monohydrat, die höhere Schmelztemperaturen besitzen und entsprechend früher auskristallisieren.
3. Der Wirkungsgrad Aufladen und Entladen eines Wärmekissens 1. Plane ein Experiment, mit dem du den Wirkungsgrad beim Auf und Entladen eines Wärmekissens (oder eines sog. Taschenwärmers ) bestimmen kannst. Es stehen dir folgende Materialien zur Verfügung: zwei Wärmekissen, Waage, Dewar Gefäß, Thermometer und Wasser. 2. Führe dein Experiment durch und protokolliere deine Ergebnisse. 3. Berechne anhand deiner Ergebnisse den Wirkungsgrad. Nützliche Angaben: Spezifische Wärmekapazität von Wasser: c(wasser) = 4,2 kj/(kg*k) Formel zur Berechnung der Wärmeenergie: E(Wärme) = c(x) * m(x) * ((2) (1)) Wortgleichung zum Wirkungsgrad: genutzte Energie / gesamte aufgewendete Energie
Lösungsmöglichkeit zu 3: Entladen Nur für den Lehrer bestimmt! Frage: Wie viel Wärmeenergie kann ein vollständig aufgeladenes Natriumacetat Kissen in etwa abgeben? Experiment: Zwei vollständig geschmolzene Wärmepads werden in genau 710ml entionisiertem Wasser in einer Thermoskanne/Dewar Gefäß kristallisiert. Über die gemessene Temperaturdifferenz des Wassers wird die abgegebene Energie berechnet und auf ein Wärmepad umgerechnet. Es werden zwei Pads verwendet, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen (und die Auswirkungen eventueller Wechselwirkungen zwischen Thermoskanne und Umwelt zu relativieren). Skizze des Versuchsaufbaus: Wasser Kristallisierende Wärmepads Dewar Gefäß Ergebnis: Das Wasser erwärmte sich von einer Anfangstemperatur von 23,7 C auf genau 29 C. Die Temperaturdifferenz beträgt somit 5,3K. Da die spezifische Wärmekapazität von Wasser 4,19kJ/kgK beträgt, ergibt sich daraus eine Energie von E = 5,3K * 0,71kg * 4,19kJ/kgK = 16kJ pro Pad (unter Beachtung von zwei geltenden Ziffern). Kritischer Blick auf die Versuchssituation: Es gab selbstverständlich Wärmeverluste, die das Ergebnis verfälscht haben. Beispielsweise war die Thermoskanne ohne obere Abdeckung, damit eine permanente Messung der Temperatur möglich war, aber dort ein Teil der Wärme verloren ging. Daher ist das Ergebnis auch gerundet.
Lösungsmöglichkeit zu 3: Aufladen Nur für den Lehrer bestimmt! Frage: Wie viel Energie muss aufgewendet werden um ein Natriumacetat Kissen aufzuladen? Experiment: Zwei vollständig kristallisierte Wärmepads werden in genau 750ml entionisiertem, heißem Wasser in einer Thermoskanne/Dewar Gefäß erhitzt. Über die gemessene Temperaturdifferenz des Wassers wird die aufgenommene Energie berechnet und auf ein Wärmepad umgerechnet. Es werden zwei Pads verwendet, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen (und die Auswirkungen eventueller Wechselwirkungen zwischen Thermoskanne und Umwelt zu relativieren). Skizze des Versuchsaufbaus: Wasser Kristallierte Dewar Gefäß Wärmepads Ergebnis: Das Wasser kühlte sich von einer Anfangstemperatur von 80,0 C auf genau 67,3 C. Die Temperaturdifferenz beträgt somit 12,7K. Da die spezifische Wärmekapazität von Wasser 4,19kJ/kgK beträgt, ergibt sich daraus eine Energie von E = 12,7K * 0,75kg * 4,19kJ/kgK = 20kJ pro Pad (unter Beachtung von zwei geltenden Ziffern). Folgerungen aus den Versuchen: Der Wirkungsgrad beträgt 16kJ/20kJ = ca. 80%. Durch das Erwärmen von allen Materialien (außer Natriumacetat) geht Wärme verloren.
4. Exkurs: Ideen zur Nutzung von Abwärme (Wirkungsgrad & Wärmelehre) Es wurde am CJT Gymnasium in Lauf a. d. Peg. ein Modell entwickelt, wie Abwärme, die bei der Produktion von Messingstäben anfällt, sinnvoll genutzt werden kann. Hierzu wird diese Abwärme in Wärmekissen (siehe 3.) gespeichert. Diese Wärmekissen befinden sich in dem sog. Wärmetauscher. Wärmetauscher Insgesamt 1,5l Propylenglykol und entionisiertes Wasser (Verhältnis 40:60) Überlaufbecken 1l entionisiertes Wasser Pumpe Messingbolzen Doppeltes Rohr Mit der Konstruktion wird folgender Versuch durchgeführt: Insgesamt 10 Messingbolzen kühlen im doppelten Rohr von ihrer Anfangstemperatur auf 150 C ab, durch das die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Diese erwärmt einen Liter entionisiertes Wasser im Wärmetauscher. Gemessen wird die Anfangs sowie Endtemperatur des Stabes und die Temperatur des Wassers im Wärmetauscher vor und nach jedem Stab. 1. Interpretiere die Skizze und versuche die Funktionsweise der Apparatur zu verstehen! 2. Recherchiere im Internet, warum als Wärmeträgerflüssigkeit nicht Wasser, sondern ein Propylenglykol Wassergemisch Anwendung findet. 3. Führe das obige Experiment durch und protokolliere deine Ergebnisse. 4. Berechne anhand deiner Ergebnisse den Wirkungsgrad des Versuchsaufbaus (mit Vernachlässigung der Pumpe). a. Ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Wärmekissen (siehe Punkt 3) b. Ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Wärmekissen (siehe Punkt 3)
Lösungsmöglichkeit zu 4: Messergebnisse: Nur für den Lehrer bestimmt! Anfangstemperatur des Bolzen in C Endtemperatur des Bolzen in C Temperaturdifferenz des Bolzens in K Anfangstemperatur des Wassers im Wärmetauscher in C Endtemperatur des Wasser im Wärmetauscher in C Temperaturdifferenz des Wassers im Wärmetauscher in K 200 150 50 44,2 47,1 2,9 224 150 74 47,1 47,4 0,3 235 150 85 47,4 49,9 2,5 186 150 36 49,9 50,1 0,2 220 150 70 50,1 51,5 1,4 225 150 75 51.5 53,7 2,2 235 150 85 53,7 55,7 2,0 249 150 99 55,7 59,4 3,7 262 150 112 59,4 59,5 0,1 234 150 84 59,5 60,9 1,4 Berechnung des (durchschnittlichen) Wirkungsgrades: Wirkungsgrad = E nutz / E zu = Q Wasser / Q Messingbolzen = [2,9K + 0,3K + 2,5K + 0,2K + 1,4K + 2,2K + 2,0K + 3,7K + 0,1K + 1,4K] * 1,0kg * 4,19kJ/kgK] / [(50K + 74K + 85K + 36K + 70K + 75K + 85K + 99K + 112K + 84K) * 1,5kg * 0,377kJ/kgK] = 69,973kJ / 435,435kJ = 16% (gerundet) Kritischer Blick auf die Versuchssituation: Natürlich sind durch die steigende Temperatur der Messingbolzen keine konstanten Umstände gegeben. Es wurde jedoch keine Möglichkeit gefunden, die Bolzen mit vertretbarem Aufwand auf eine konstante Anfangstemperatur zu bringen, da in der Schule keinen hierfür geeigneten Werkzeuge zur Verfügung standen. Außerdem wurde zum Umwälzen des Wärmeträgers eine Pumpe verwendet, die natürlich Energie verbraucht. Diese Energie wurde in den Berechnungen nicht berücksichtigt, es wurde aber auch eine Anordnung der Komponenten entwickelt, die die Pumpe überflüssig machen würde. Wirkungsgrad mit Wärmekissenwirkungsgrad: 16% * 80% = 13% (gerundet)