7. – 9. Schuljahr

Matthias T. Rinke und Philipp Wichtrup

Vom Eis zum Dampf

Ein Experiment zum Erhitzen von Eis und Dokumentation im Performanzvideo mit Zeitraffer-Option

In jeder Küche wird Wasser erwärmt, um Kartoffeln oder Nudeln zu garen oder einen Tee zuzubereiten. Der dabei entstehende Wasserdampf wird allerdings nur nebenbei wahrgenommen und die entsprechende Phasenumwandlung auch nicht als solche betrachtet. Gleiches gilt für das Schmelzen von Eiswürfeln im erfrischenden Getränk im Sommer, bei dem an der Glaswand gleichzeitig gasförmiges Wasser kondensiert.
Somit gibt es recht umfangreiche Vorerfahrungen der Lernenden zu Phasenumwandlungen und zum folgenden Experiment.
Phasenübergänge: Schlüsselexperiment real
Material
Benötigt werden pro Schülergruppe
  • eine Wärmequelle (z.B. Herdplatte mit Rührfunktion),
  • ein Becherglas,
  • Eis (am besten Crushed Ice),
  • ein Thermometer.
Aufbau und Durchführung
In diesem Experiment (s. Abb. 1 ) wird mithilfe einer Herdplatte Eis erwärmt, bis das verflüssigte Wasser kocht (s.a. theoretische Hingergründe in Kasten 1).
Kasten 1: Theoretische Grundlagen
Kasten 1: Theoretische Grundlagen
Werden Eiswürfel über einen bestimmten Zeitraum bei konstanter Wärmezufuhr erhitzt und die gemessene Temperatur über die Zeit aufgetragen, ergibt sich ein Temperatur-Zeit-Diagramm. Abbildung 2 zeigt ein idealisiertes Diagram.
Phasenübergänge
Genau genommen handelt es sich bei den Phasenübergängen Schmelzen bzw. Verdampfen um Phasenübergänge erster Ordnung (z.B. [3]). Es liegt auf der Hand, dass im Rahmen des Schulunterrichts nicht auf eine exakte Definition des Begriffs „Phasenübergang und auf thermodynamische Eigenschaften wie chemisches Potenzial, Enthalpie, Entropie oder Wärmekapazität eingegangen werden kann und soll (vgl. z.B. [3]. Entscheidender sind vielmehr die Aufnahme und Erklärung des Verlaufs des Diagramms in Abbildung 2 und insbesondere das Phänomen der konstant bleibenden Temperatur beim Schmelzen und beim Verdampfen. Abbildung 3 zeigt zusätzlich ein Temperatur-Zeit-Diagramm passend zu den Messwerten aus dem Performanzvideo (s. Kasten 2).
Erklärung auf mikroskopischer Ebene
Nach dem Teilchenmodell (z.B. [5]) sind in einem Eiskristall die Wasserteilchen regelmäßig angeordnet. Sie besitzen geringe Abstände, und die Bewegung ist auf Schwingungen der Teilchen in ihrer Gitterstruktur beschränkt. Im flüssigen Zustand sind die Teilchen nicht mehr regelmäßig angeordnet und bewegen sich. Es herrschen noch geringe Anziehungskräfte zwischen ihnen. In der Gasphase sind sie viel weiter voneinander entfernt, und die Anziehungskräfte sind fast vollständig überwunden.
Führt man flüssigem Wasser Wärme hinzu, so erhöht sich zunächst die mittlere Geschwindigkeit der Wasserteilchen, was sich im Steigen der Temperatur messbar äußert. Ist die Siedetemperatur erreicht, können die Teilchen keine höhere kinetische Energie mehr aufnehmen, ohne aus der Flüssigkeit auszutreten. Beim Verdampfen werden die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen überwunden, wobei ihre potentielle Energie zunimmt, die kinetische Energie jedoch gleich bleibt. Da die Temperatur ein Maß für die kinetische Energie der Teilchen ist, bleibt die Temperatur für eine bestimmte Zeit konstant.
Die für die Umwandlung nötige Wärme nennt man auch latente Wärme, die sich u.a. in Latentwärmespeichern technisch nutzen lässt (vgl. z.B. [6])
Sobald das Eis schmilzt, wird das Wasser durchgehend mit einem Magnetrührer umgerührt.
Die Temperatur des Eises bzw. des flüssigen Wassers wird mit einem Thermometer gemessen und alle 30 Sekunden in eine Messwerttabelle eingetragen. Das Thermometer kann man alternativ zum Magnetrührer für das Umrühren verwenden.
Kompetenzen
Mithilfe der Messwertdaten wird im Anschluss an das Experiment ein Temperatur-Zeit-Diagramm erstellt. Dieses ist elementar, um die Kompetenzen der Lernenden in der Darstellung von Daten zu fördern.
Um gerade in unteren Klassen etwas Zeit zu sparen, sollte das...

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