5. – 13. Schuljahr

Daniel Laumann

Wärmelehre

Ausgewählte Geräte, Materialien und Medien für den Unterricht

Der Unterricht zum Sachgebiet Wärmelehre ist sowohl auf konzeptueller Ebene als auch im Hinblick auf die Durchführung von Experimenten besonders durch die Unterscheidung von Wärme und Temperatur gekennzeichnet. Lernende haben Schwierigkeiten, zwischen Wärme als Prozessgröße und Temperatur als Zustandsgröße zu unterscheiden, was sich auch in zahlreichen Schülervorstellungen zeigt [1].
Grundlegend für das Verständnis sind zudem Modelle und dabei insbesondere das Teilchenmodell, ohne das eine Beschreibung makroskopischer Prozesse auf mikroskopischer Ebene nicht möglich ist.
Um die Unterscheidungsfähigkeit zwischen der Temperatur einerseits und der Wärme andererseits bei den Lernenden zu unterstützen, bietet sich unter anderem die Durchführung von Experimenten an. Dem gegenüber ist die Auseinandersetzung mit Modellen ein typischer Gegenstand verschiedener digitaler Medien zu diesem Sachgebiet.
Schlüsselexperimente der Wärmelehre real
Das Experimentieren ist in der Wärmelehre insbesondere gekennzeichnet
  • durch die Veränderung der Zustandsgröße des Systems, d.h. in der Regel der Temperatur,
  • durch das Hinzufügen oder die Entnahme von Wärme als Prozessgröße sowie
  • durch Messungen der Zustandsgröße (insbesondere Temperaturmessungen).
Im Folgenden sind Hinweise zu Geräten und Experimentiermaterialien für entsprechenche Versuche zusammengestellt.
Temperaturveränderung durch Hinzufügen von Wärme
Viele Experimente der Wärmelehre basieren auf der Veränderung der Temperatur durch das Hinzufügen einer bestimmten Wärmemenge.
Heizplatten
Eine Methode zur Erwärmung von Objekten nutzt Heizplatten. Diese Methode zur gleichmäßigen Erwärmung ermöglicht zudem auch die gezielte und im Vergleich zu einigen anderen Methoden (s.u.) verhältnismäßig präzise Variation der hinzugefügten Wärmemenge pro Zeit. Heizplatten zur Erwärmung werden oft dann eingesetzt, wenn z.B. quantitative Aussagen zum zeitlichen Verlauf der positiven Temperaturänderung für die Durchführung von Experimenten relevant sind (vgl. z.B. Artikel W2 „Vom Eis zum Dampf).
Beim Einsatz von Heizplatten im Unterricht sollten die Lernenden auf die Gefahr von Verbrennungen hingewiesen und entsprechende Vorbeugungsmaßnahmen getroffen werden.
Feuer
Bunsenbrenner ermöglichen ebenfalls verhältnismäßig präzise Variationen der hinzugefügten Wärmemenge. Allerdings ist offenes Feuer im Unterricht aufgrund der Gefahr direkter Verbrennungen (wie auch bei der Heizplatte) stets mit einem größeren Gefahrenpotenzial verbunden und sollte nur genutzt werden, wenn die nötigen Rahmenbedingungen hinsichtlich der Sicherheitsbestimmungen gewährleistet sind.
Kerzen oder Teelichter nutzen ebenfalls offenes Feuer, können aber im Gegensatz zu Heizplatten und Bunsenbrennern kostengünstig allen Schülerinnen und Schülern zur Verfügung gestellt werden (s. z.B. Artikel W1 „Wärmetransport sichtbar machen). Ein weiterer Vorteil von Kerzen und Teelichtern ist auch die häufig ausreichende, aber im Hinblick auf Verletzungen durch Verbrennungen geringere, Wärmemenge. Nachteilig ist allerdings die eher unkontrollierte Abgabe der Wärme.
Backofen
Bei entsprechenden räumlichen Gegebenheiten kann auch ein Backofen genutzt werden. Dieser erlaubt, wie die Heizplatte, eine zeitlich kontinuierliche Erwärmung und wirkt dabei gleichmäßig auf das gesamte zu erwärmende Objekt (im Gegensatz zu einer lokalen Erwärmung, die sich für manche Experimente als problematisch erweist, vgl. z.B. Artikel W3 „Wasser als Energiespeicher).
Temperaturveränderung durch Entnahme von Wärme
Andere Experimente der Wärmelehre untersuchen Temperaturveränderungen bei Entnahme einer bestimmten Wärmemenge. Diese Experimente sind gegenüber den o.g. Beispielen in der Regel sicherer, teilweise aber bei falscher Handhabung ebenfalls mit gewissen Verletzungsrisiken verbunden.
Eiswürfel
Eine häufig genutzt Methode zur...

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