5. – 6. Schuljahr

Philipp Wichtrup

Wärmetransport sichtbar machen

Visualisierung von Experimenten zum Wärmetransport mit Energy2D

Der physikalische Prozess des Wärmetransports ist allgegenwärtig: ob von der Heizung in den Raum, von der Herdplatte auf das Wasser oder von der Sonne auf unsere Haut.
Der Wärmetransport kann dabei auf folgende drei unterschiedliche Arten stattfinden:
  • Wärmeleitung (Konduktion),
  • Wärmeströmung (Konvektion) und
  • Wärmestrahlung (thermische Strahlung).
In unserem Alltag treten die einzelnen Formen des Wärmetransports nicht isoliert, sondern gleichzeitig auf. Beispielsweise nutzt ein Heizkörper alle drei Wärmetransportarten: Er überträgt thermische Energie mittels Wärmeleitung auf die Luft, die mit ihm in Berührung kommt. Die erwärmte Luft strömt dann durch den Raum (Wärmeströmung). Zusätzlich gibt der Heizkörper einen Teil seiner thermischen Energie als Wärmestrahlung ab. In der Regel überwiegt jedoch bei den alltäglichen Beispielen eine der drei Wärmetransportarten.
Kompetenzen und Basiskonzepte
Das Thema „Wärmetransport bietet Möglichkeiten für viele spannende und einfach durchzuführende Schüler- und Demonstrationsexperimente. Dadurch kann es einen wichtigen Beitrag zum Aufbau der experimentellen Kompetenz bei den Lernenden leisten. Der Fokus der Schlüsselexperimente in diesem Artikel liegt auf einer einfachen Durchführung mithilfe von Alltagsmaterialien. Lehrkräften sollen damit auch kostengünstige Möglichkeiten für Experimente vorgestellt werden, unabhängig von der Ausstattung ihrer Physiksammlung.
Das Thema „Wärmetransport steht darüber hinaus in engem Zusammenhang mit dem Basiskonzept „Energie [1]: „Energie ist eines der zentralen Konzepte in den Naturwissenschaften und hat innerhalb jeder naturwissenschaftlichen Disziplin eine grundlegende Bedeutung. [2] Die Durchführung und die Auswertung von Experimenten zum Wärmetransport können einen Teil zur Entwicklung eines tiefergehenden Verständnisses von Energie beitragen.
Außerdem gibt der Wärmetransport Gelegenheit, fächerübergreifend mit dem Fach Chemie Grundlagen zum Basiskonzept „Struktur der Materie [1] zu erarbeiten. So bietet ein einfaches Teilchenmodell eine Möglichkeit, Wärmetransport-Prozesse zu veranschaulichen.
Wärmeleitung
Beim Prozess der Wärmeleitung fließt die thermische Energie von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur.
Der Wärmefluss kann dabei
  • innerhalb eines Festkörpers,
  • zwischen zwei Festkörpern,
  • zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit und
  • zwischen einem Festkörper und einem Gas
stattfinden.
Die Weitergabe der thermischen Energie erfolgt durch ungeordnete Stöße der Teilchen der beteiligten Medien, wobei die Teilchen in Festkörpern um eine feste Position schwingen, diese aber nicht verlassen.
Schlüsselexperiment
Um den Lernenden den Prozess der Wärmeleitung experimentell zugänglich zu machen, bietet sich das Demonstrationsexperiment in Abbildung 1 an.
Material
Benötigt werden
  • ein Stück Aluminiumfolie,
  • ein Zahnstocher,
  • eine Muffe,
  • ein bis zwei Teelichter und
  • mehrere digitale Thermometer.
Aufbau und Durchführung
Der Zahnstocher wird so in der Muffe befestigt, dass er nach oben hin mehrere Zentimeter heraus ragt.
Die Aluminiumfolie wird mehrere Male gefaltet. Die Falten der Folie werden genutzt, um dort die Spitzen der Temperaturfühler einzuklemmen. Man sollte sich jedoch bewusst sein, dass durch die Verwendung von Thermometern mit Temperaturfühlern, thermische Energie an den Kontaktstellen abgeführt wird. Dies beeinflusst die Messung (wenn auch nur geringfügig). Ein Vorteil der dünnen Aluminiumfolie ist die schnellere Ausbreitung der Wärme im Vergleich zu einem dickeren Metallstab.
Das Teelicht wird unter das offene Ende der Aluminiumfolie geschoben (s. Abb. 1 ). Um den Effekt der Wärmeleitung zu verstärken, kann man das Teelicht so positionieren, dass die Flamme des Teelichts das Aluminium berührt. Um das angezündete Teelicht dafür auf die richtige...

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