Das Thermometer, Fahrenheit und Celsius, die Ausdehnung von Körpern, die Dichte von Wasser, Wärmetransport, das Prinzip von Sonnenkollektoren und der Begriff Wärmedämmung werden hier erklärt.

1 Das Thermometer
Auf dem 3600 m hohen Tödi

Hier oben auf dem 3600 m hohen Tödi ist es sehr kalt. Der Tödi liegt im Kanton Glarus in der Schweiz. Im Sommer hat es immer wieder Plusgrade. Wenn Niederschlag kommt, schneit es so gut wie immer und im Winter zeigt das Thermometer dauerhaft Minusgrade an. Warst du schon einmal auf einem schneebedeckten Berg? Auf dieser Seite kannst du uns begleiten. Wir haben den Berg für dich erkundet.

Die Außentemperatur zeigt hier oben 5 °C an. Bei dem Nebel ist dies ziemlich ungemütlich. Welche markanten Temperaturen kennst du?

2 Ausdehnung von Körpern
Risse im Eis

Feste, flüssige, gasförmige Körper dehnen sich bei Wärme aus und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen.

So auch das Eis. Auch wenn die Lage der Spalten in einem Gletscher durch die Topologie vorgegeben sind, bricht das Eis vorzugsweise wenn es wärmer wird, da der Gletscher sich ausdehnt.

Dieses Verhalten kann man bspw. auch bei mit Blech gedeckten Dächern beobachten. Wenn es nachts abkühlt hört man manchmal ein dumpfes Knacken. Auch bilden sich bei hohen Temperaturen Risse im Teer. Finde einige Ausdehnungskoeffizienten von festen Körpern heraus.

3 Die Anomalie des Wassers
Wasserfall

Selbst wenn das Eis oben nur an wenigen Tagen taut, schiebt es die Gletschermassen ins Tal und dann taut es. Nun verhält sich Wasser im Gegensatz zu anderen Stoffen nicht normal. Bei 4 °C zieht sich das Wasser am meisten zusammen. Man sagt es hat die größte Dichte und somit das kleinste Volumen. Oberhalb und unterhalb von dieser Temperatur dehnt es sich aus.

Gefriert Wasser zu Eis dehnt es sich durch die Kristalisation sogar um 9 % aus. Kühlt das Eis allerdings weiter ab zieht es sich wieder zusammen, d.h. das Volumen wird kleiner. Man sagt die Dichtekurve des Wassers ist anormal.

Wusstest du das Wasser mit der größten Dichte wegen der Erdanziehungskraft nach unten sinkt? Sowohl wärmeres als auch kälteres Wasser sammelt sich automatisch an der Oberfläche.

4 Arten des Wärmetransports
Kaminofen

Abends in der Hütte wärmt uns das Feuer. Die wohltuende Strahlungswärme des Ofens lässt unsere kalten Hände auftauen.

Neben der Strahlungswärme (Wärme die sich ohne einen Stoff ausbreitet) hat der Ofen noch Lüftungsgitter aus denen warme Luft strömt. Wenn Wärme so mit einem Stoff weitergegeben wird spricht man von Strömungswärme oder Konvektion (lat. convectum = mittragen).

Das Metall am Ofen leitet die Wärme, ohne dass es sich mit bewegt. Metall ist ein sehr guter Wärmeleiter. Holz, Kunststoff und Luft sind sehr schlechte Wärmeleiter.

5 Sonnenkollektoren
Berghütte

Viele Berghütten haben keine Stromversorgung. Um im Sommer warmes Wasser aufzubereiten setzt man auf deren Dächern Sonnenkollektoren ein.

Die Sonnenstrahlen erwärmen Wasser in einem spiralförmig gelegten Schlauch in dem Sonnenkollektor. Dabei absorbiert der schwarze Schlauch die Wärme und gibt diese an das Wasser weiter.

Baue einen eigenen Sonnenkollektor mit einem schwarzen Schlauch. Stell ihn in die Sonne und lass Wasser durchlaufen. Miss die Wassertemperatur am Ein- und Auslauf und vergleiche sie. Versuche verschiedene Durchflussgeschwindigkeiten zu testen.

6 Wärmedämmung
Hund in den Bergen

Unserer Hündin Emma ist es auch in den Bergen nicht zu kalt. Ihr warmes Fell ist ein gutes Luft­pol­ster. Stehende Luft leitet die Wärme bekanntlich schlecht. Man spricht auch von einem guten Isolator.

Im Hausbau setzt man deshalb Styropor oder Holzfasern zur Wärmedämmung ein. Dabei muss man darauf achten, dass keine Wärmebrücken, wie Stahlbeton am Rand vorhanden sind.

Stahlbeton hat eine Wärmeleitfähigkeit $\lambda$ (gr. lambda) von 2,1 W/(mK), Styropor nur 0,035 W/(mK). Man berechnet den Wärmedurchgangskoeffizient $U$ in W/(Km2) durch eine n-schichtige Wand zu:

$$\frac{1}{U}=\frac{d_1}{\lambda_1}+\frac{d_2}{\lambda_2}+...\frac{d_n}{\lambda_n}$$


Aufgabe 1 Temperaturskalen

Es gibt drei bekannte Temperaturskalen. Man misst die Temperatur T in Grad Celsius in Kelvin und in Grad Fahrenheit.

  • Zeichne jede der drei Skalen und notiere markante Temperaturen.
  • Wie kann man zwischen den Skalen umrechnen?
  • Gibt es Eselsbrücken?
  • Rechne um: 16 °C in °F, 100 °F in °C sowie 50 °C in °F und K

Wordcloud Temperaturskalen
Schülerlösung 1

Schülerlösung 2

Schülerlösung 3



Experiment 1 - Bau eines Heißluftballons

Idee von M. Kramer, Tübingen

Ballonexperiment

Für dieses Experiment benötigt man bspw. Watte, Alkohol, große Plastiktüten, Draht. Alternativ gehen auch: Strohhalme, Tesafilm, Alufolie, Minikerzen und Plastiktüten.

Sicherheitshinweis: Achte auf Brandgefahren der Umgebung und sicher den Ballon bei Bedarf mit einer Schnur.

  1. Bildet 4er Gruppen und baut mit den Materialien einen Heißluftballon.
  2. Der Ballon der am höchsten steigt oder am längsten fliegt gewinnt.
  3. Fertige ein Versuchsprotokoll an. Wieso hebt der Ballon ab?

Quellenangabe:
Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011





Aufgabe 2 Anomalie des Wassers

Wie viel wiegt

  1. Ein m3 4 °C kaltes Wasser?

  2. Ein m3 100 °C warmes Wasser?

  3. Ein m3 0 °C kaltes Eis?

  4. Wieso sinkt 4 °C kaltes Wasser auf den Boden?

  5. Um wie viel % dehnt sich Wasser aus, wenn es gefriert?

  1. Ein m3 4 °C kaltes Wasser: $m=1000~kg$

  2. Ein m3 100 °C warmes Wasser: $m=960~kg$

  3. Ein m3 0 °C kaltes Eis: $m= 920~kg$



Dichtekurve Wasser Eis



Filmleiste

Aufgabe 3 Praxisbeispiele

Finde Beispiele aus der Praxis in der Prozesse zum Wärmetransport eingesetzt werden.

  1. Zeichne jeweils eine Filmleiste.

  2. Beschreibe zu jedem Bild in eigenen Worten den Prozess.

  3. Welcher Prozess ist dir unklar?

Ideen:

  • Heizung

    Filmleiste Heizung

    N. Jockwitz, CDSC

  • Herd, Kühlschrank

  • Klimaanlage, Kühlschrank

    Filmleiste Klimaanlage

    S. Kramlich, CDSC

  • Ventilator, Föhn




Entspann dich erst mal ...

Das Kältexperiement: Eine Fliege bei -40 °C

Aufgabe 4 Isolation eines Hauses

Die Wärmeleitfähigkeit für folgende Baustoffe sind: Innenputz 0,35 W/mK, Ziegel 0,11 W/mK, Styropor 0,035 W/mK, Aussenputz 0,5 W/mK, Beton 2,0 W/mK, Styrodur 0,04 W/mK, Holz 0,13 W/mK, Holzfaserplatte 0,042 W/mK.

Berechne den U-Wert für folgenden Wandaufbau:

  1. 240 mm Ziegel

  2. 15 mm Innenputz, 240 mm Ziegel, 160 mm Styropor und 20 mm Außenputz

  3. 15 mm Innenputz, 240 mm Beton, 180 mm Styropor und 20 mm Außenputz

  1. U-Wert: 0,458 W/(m2K)

  2. U-Wert: 0,146 W/(m2K)

  3. U-Wert: 0,213 W/(m2K)



mit Styropor isoliertes Haus


Wortliste und Satzbausteine



das Thermo­meter, ~ ein Meßgerät zum Messen der Temperatur
der Gletscher, ~ große Eismasse, welche aus Schnee hervorgeht
die Ausdeh­nung von Körpern, -en Feste, gasförmige, flüssige Stoffe dehnen sich bei Wärme aus und bei Kälte ziehen sie sich zusammen.
die Anomalie des Wassers, -en Wasser ist bei 4 °C am dichtesten, oberhalb und unterhalb dieser Temperatur dehnt es sich aus.
der Wärme­transport, -e Wärme kann auf verschiedene Arten transportiert werden: Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wämreströmung
die Wärme­strahlung, keine Mehr­zahl Wärme, welche sich ohne einen Stoff ausbreitet
die Wärme­leitung, keine Mehr­zahl Wärme, wird über einen Stoff transportiert, ohne dass sich dieser mitbewegt
Wärme­strömung, keine Mehr­zahl Wärme, wird über einen Stoff transportiert, der sich mitbewegt

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