7. – 9. Schuljahr

Philipp Wichtrup

Wasser als Energiespeicher

Experimentelle Bestimmung und eine animierte Erklärung der Wärmekapazität von Wasser

Wieso verwenden wir Wasser in unseren Heizungsrohren? Aus welchem Grund wird Wasser häufig als Kühlmittel verwendet? Warum sind die Temperaturschwankungen an Orten, die sich in der Nähe von großen Wassermassen (Meer oder große Binnenseen) befinden, oftmals geringer als an Orten, die weit weg davon liegen? Diese und weitere Fragen kann man mit der großen Wärmespeicherfähigkeit von Wasser beantworten. Man nennt diese Fähigkeit Wärmekapazität.
Bei der Einführung des Begriffs Wärmekapazität gilt es den Unterschied zwischen einer Prozessgröße und einer Zustandsgröße zu verdeutlichen:
  • Eine Prozessgröße (z.B. Wärme) kennzeichnet einen physikalischen Vorgang (z.B. die Übertragung von Energie).
  • Eine Zustandsgröße (z.B. Wärmekapazität) kennzeichnet die (momentane) Beschaffenheit eines Stoffs.
Wärmekapazität: Schlüsselexperiment real
Die Bestimmung der Wärmekapazität eines Stoffes wird im hier vorgestellten Experiment exemplarisch an Wasser gezeigt. Dabei sollen die Schülerinnen und Schüler in Bezug auf prozessbezogene Kompetenzen die physikalischen Vorgänge „beobachten und beschreiben [] und [] dabei Beobachtung und Erklärung ([1], S. 17) voneinander unterscheiden.
Um Lernenden den Vorgang möglichst einfach zu erklären, bietet sich das in Abbildung 1 dargestellte und im Folgenden beschriebene Experiment an. Bis auf ein Energiekostenmessgerät werden ausschließlich Alltagsmaterialien verwendet.
Material
Für die Durchführung benötigt man:
  • eine möglichst präzise Waage,
  • einen Wasserkocher,
  • ein Energiemessgerät und
  • ein digitales Thermometer mit Temperaturfühler.
Aufbau und Durchführung
Der Wasserkocher ist mit einem Energiemessgerät an einer Steckdose angeschlossen (s. Abb. 1). Zuerst wird dann der abnehmbare Behälter des Wasserkochers auf der Waage positioniert und die Waage auf Null gestellt. Bei der anschließenden Befüllung des Behälters mit Wasser sollte darauf geachtet werden, dass die Heizstäbe des Wasserkochers vollständig mit Wasser bedeckt werden. Die Waage zeigt nun das Gewicht des eingefüllten Wassers an. Den befüllten Behälter stellt man dann auf seine Basis zurück.
Mit dem Thermometer kann nun überprüft werden, wann die Temperatur des Raumes und des Wassers den gleichen Wert besitzen. Erst dann schaltet man den Wasserkocher für kurze Zeit (z.B. 30 s) ein. Die Betriebszeit des Wasserkochers sollte kurz sein, um das Wasser nicht zu stark zu erwärmen. So kann der Wärmetransport an die Umgebung klein gehalten werden.
Während der Wasserkocher eingeschaltet ist, notiert man den auf dem Energiemessgerät angezeigten Wert für die elektrische Leistung P. Mit diesem Wert und der Zeit t, die der Wasserkocher eingeschaltet ist, kann man die Energie Q, die dem Wasser zugeführt wird, berechnen:
Q = Pt.
Dabei wird angenommen, dass die elektrische Energie der Heizstäbe vollständig in thermische Energie umgewandelt wird. Sollte sich der Wert der elektrischen Leistung im Laufe der Betriebszeit verändern, nimmt man den Mittelwert für die anschließende Berechnung der Wärmekapazität.
Nach dem Ausschalten des Wasserkochers wird die Temperatur des Wassers erneut gemessen. Dabei sollte man beachten, dass man während der Messung mithilfe der Messspitze des Thermometers das Wasser umrührt, aber keinesfalls in Kontakt mit den Heizstäben des Wasserkochers kommt. Der Messvorgang wird erst beendet, wenn die gemessene Temperatur einen maximalen Wert erreicht hat. So kann sichergestellt werden, dass die Heizstäbe und das Wasser eine identische Temperatur besitzen und das Wasser von den Heizstäben nicht weiter erwärmt wird.
Bestimmung der Wärmekapazität
Um aus den gemessenen Werten die Wärmekapazität für Wasser zu bestimmen, nutzt man den proportionalen Zusammenhang zwischen der zugeführten Energie Q und dem Produkt aus der Temperaturveränderung T und der Masse m des...

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