Messung der Körpertemperatur Jahrgangsstufen Fach/Fächer Lernbereich Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen Benötigtes Material 10 (Vorklasse) Technologie Wärmelehre Technische Bildung Alltagskompetenz und Lebensökonomie 90 min Infomaterial von Thermometerherstellern, Internetzugang (optional) Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler analysieren anhand von einfachen Experimenten die Temperatur eines Systems als messbare Zustandsgröße, beurteilen verschiedene Temperaturskalen in Bezug ihrer Einsatzmöglichkeiten und erläutern die jeweils zugehörigen Fachbegriffe zur Temperaturmessung. untersuchen technische Temperaturmessverfahren auf Genauigkeit bzw. Gültigkeit und erläutern die Abhängigkeit des Aggregatszustands von Druck und Temperatur anhand von Wasser. Seite 1 von 5
Aufgabe Körpertemperatur Als Körperkerntemperatur bezeichnet man die Temperatur, die innerhalb des menschlichen Körper gemessen werden kann. 1 Beim Fiebermessen zeigt das Thermometer den Zahlenwert 37,2 an. Dies bedeutet, die zugehörige Person (zutreffendes ankreuzen) q hat Fieber q ruht q friert q schwitzt q ist krank q hat gejoggt q hat nix q keine Aussage möglich 2 Ein Urlauber misst in San Diego seine Körpertemperatur. Das Thermometer zeigt 99 an. Oh!, denkt er. ein Wunder, dass ich noch lebe!. Nehmen Sie zu dieser Aussage Stellung. 3 Übliche Flüssigkeitsthermometer sind mit Quecksilber (früher), Gallium - Legierungen (Galinstan ) oder einer Alkoholmischung gefüllt. Vergleichen Sie die Eigenschaften dieser Stoffe und schließen Sie auf deren Einsatzbereiche. 4.0 Das erste Fieberthermometer wurde schon 1630 vom italienischen Medicus Santorio 1) konstruiert. Dabei wurde ein Steigrohr zu 2/3 mit Wasser gefüllt. Danach nahm der Arzt die sogenannte Thermometerkugel in den Mund und beobachtete, wie weit das Wasser aus dem Steigrohr in das Vorratsgefäß gedrückt wurde. Danach wiederholte er den Vorgang am Patienten. So konnte er erkennen, ob Fieber vorlag. Quelle: Commentaria in primam Fen primi libri canonis Auicenna (Venedig 1625) 4.1 Erläutern Sie, welche physikalischen Vorgänge für diese Messung notwendig sind. 4.2 Entwickeln Sie in Partnerarbeit Verbesserungsvorschläge für das Luftthermometer des Santorio. 4.3 In welchen Fällen funktioniert diese Fiebermessung nicht? 5 Moderne Fieberthermometer haben eine Digitalanzeige und benötigen anscheinend keine Flüssigkeiten. Recherchieren Sie weitere Temperaturmessverfahren und erläutern sie deren Vor- und Nachteile. 6 In der Produktion eines Fieberthermometerherstellers wurde versehentlich eine Serie Flüssigkeitsthermometer mit Methanol anstatt Ethanol gefüllt. Berechnen Sie, welche Temperatur das Thermometer bei einem fieberfreien Menschen anzeigen würde. 7 Wer Fieber hat, hat einen höheren Blutdruck!. Nehmen Sie zu dieser Aussage Stellung. 1) Santorio (1561 1636) war ein Schüler von Galileo Galilei. Seite 2 von 5
Hinweise zum Unterricht Kooperatives Lernen ist zu bevorzugen, Anschauungsmaterial zu empfehlen Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler 1 Bis auf hat Fieber ist keine der angegebenen Antworten eindeutig anhand der Körpertemperatur zu bestimmen. Von Fieber spricht man erst ab ca. 38 C. 2 In USA wird die Temperatur in Fahrenheit angegeben. Für die Umrechnung in Grad Celsius gilt: Der Urlauber hat kein Fieber. = 5 9 ( 32 ) = 5 (99 32 ) 9 =37,22 3 Eigenschaften von Alkohol und Quecksilber und Ersatzstoffen: Schmelzpunkt C Siedepunkt C Wärmeausdehnungskoeffizient 10 Bemerkungen Alkohol 114,4 78,37 1,10 Farbstoff nötig Quecksilber 38,89 356,58 0,1811 giftig, benetzt kein Glas Galinstan 19 1200 0,126 ungiftig, benetzt Glas Einsatzgebiet Alkohol: Körpertemperatur, Kühlräume, sehr kalte Regionen Einsatzgebiet Quecksilber: Einsatzgebiet Galinstan : Körpertemperatur, Backöfen, sehr heiße Regionen Körpertemperatur, Industrieöfen bis 1000 C, Heizungsanlagen, Motoren 4.1 Das Luftthermometer funktioniert dahingehend, dass durch die Erwärmung der Luft im Steigrohr diese sich ausdehnt und das Wasser in den Vorratsbehälter drückt. Die Ausdehnung der Luft wird durch den physikalischen Zusammenhang = (1 + ) Seite 3 von 5
mit γ als Volumenausdehnungskoeffizient und als Temperaturdifferenz bei konstantem Druck dargestellt. In diesem Fall dehnt sich das Gas proportional zum Temperaturunterschied aus. Bei der Annahme des idealen Gaszustandes ist γ Luft 367 10 5 1/K. 4.2 Schülerergebnisse z.b. Verbesserung der Genauigkeit: Schnelleres Anzeigen: Geschlossener Vorratsbehälter: dünneres Steigrohr verwenden, feinere Skala Thermometerkugel aus Materialien mit besserer Wärmeleitfähigkeit (z.b. Kupfer) kein Einfluss des Luftdrucks auf das Ergebnis 4.3 Das Luftthermometer versagt falls der Arzt auch Fieber hat oder wenn die Lufttemperatur der Körpertemperatur entspricht (keine weitere Ausdehnung möglich) 5 Partner- oder Gruppenarbeit (auch als Expertenpuzzle vorstellbar) Weitere Messverfahren z.b. Bimetall, Thermoelement, Widerstandsthermometer, spektroskopische Messverfahren (Pyrometer), Induktionsmethode (bei Tiefsttemperaturen), Unterscheidung zwischen berührender und berührungsfreier Messung, Strahlungsmessungen, Messung über Temperaturfarben, Messung mit Hilfe von Eigenschaften von Stoffen z.b. Gasthermometer (indirekte Messung über Druckunterschied) oder Segerkegel (sehr grob), Thermographie (Infrarotmessung), etc. Vor- und Nachteile der jeweiligen Messverfahren 6 Es ergibt sich beim Volumenausdehnungskoeffizienten folgendes Verhältnis: = 120 110 =1,09 Körpertemperatur T = 309,65K bei einem fieberfreien Menschen. Anzeige Ethanol: 36,5 C T Methanol = 1,09 T = 337,8K Anzeige Methanol: 64,65 C Das Thermometer wird zerstört. 7 Mögliche Schülerantworten, z.b. Durch die Temperaturerhöhung dehnt sich das Blut in den Adern aus. Erhöhung des Blutdrucks möglich. Auch die Blutgefäße dehnen sich durch die Temperaturerhöhung aus. Erniedrigung des Blutdrucks möglich. Durch die höhere Körpertemperatur steigt die Herzfrequenz, um den Körper besser kühlen zu können. Erniedrigung des Blutdrucks möglich Krankheiten können die Ursache für höheren und niedrigeren Blutdruck sein. Seite 4 von 5
Der Einfluss des Fiebers spielt dagegen kaum eine Rolle. Anregung zum weiteren Lernen Seite 5 von 5