Arbeitsblatt: Wärmelehre

Name: Dossier Natur Technik Wärmelehre Wärmeleitfähigkeit Ausdehnung von Stoffen Temperaturmessung Anomalie des Wassers Gasexplosion Motor Wärmeströmung in Flüssigkeiten Sekundarschule xxx Name Klasse xxx Natur Technik Lernziele: Du kannst die drei Aggregatzustände aufzählen Du kannst den Begriff Wärmeleitfähigkeit erläutern Du kannst erklären, dass unterschiedliche Stoffe die Wärme unterschiedlich gut leiten Du kannst erläutern, dass jeder Stoff sich durch Temperaturänderung zusammenzieht oder ausdehnt Du kannst erklären, was ein Ausdehnungskoeffizient ist Du kannst erläutern, dass Stoffe unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben Du kannst einfache Rechnungen mit Ausdehnungskoeffizienten lösen Du kennst drei verschiedene Temperaturskalen (Celsius, Kelvin, Fahrenheit), ihre „Herkunft und ihren jeweiligen Nullpunkt Du kennst das Phänomen der Anomalie des Wassers und kannst dieses erklären Du kannst die Funktionsweise einer Gasexplosion anhand eines Verbrennungsmotors erklären Du kannst den Unterschied zwischen einem Zweitakt- und Viertaktmotor erläutern Du weisst, wie die Wärmeströmung in Flüssigkeiten entsteht und wo diese im Alltag genutzt wird Sekundarschule xxx Name 2 Klasse xxx Natur Technik Wärmeleitfähigkeit Experiment: Wärme kann ganz schön anstecken Versuchsaufbau: Eisen Aluminium Kupfer Messing Meine Hypothese: Was erwarte ich, wenn der Metallträger in der Mitte erhitzt wird? Meine Beobachtung: Meine eigene Erklärung zum Phänomen: Meine Hypothese war. richtig Sekundarschule xxx Name falsch 3 Klasse xxx Natur Technik Wärmeleitfähigkeit Experiment: Papierpfanne Material: 2 Papier-Schnittmuster Mineralfasernetz, Stativ mit Halterung Gasbrenner, Streichhölzer Klebeband Thermometer Wasserglas Versuchsaufbau: 1. Arbeitet in Gruppen. Bastelt aus den 2 Papier-Schnittmustern zwei Papierschalen. 2. Baut das Experiment gemäss Skizze auf vergesst das Mineralfasernetz nicht! 3. Füllt die Papierschale mit Wasser aus dem Glas und legt das Thermometer hinein. Meine Hypothese: Was erwarte ich, wenn die mit Wasser gefüllte Papierschale direkt über dem Brenner erhitzt wird? Meine Beobachtung: Meine eigene Erklärung zum Phänomen: Meine Hypothese war. richtig Sekundarschule xxx Name falsch 4 Klasse xxx Natur Technik Ausdehnung von Stoffen Experiment: Bolzensprenger Versuchsaufbau: (a) Mutter (b) Zugstange (c) Stahlbolzen (d) Halterung Meine Hypothese: Was passiert mit dem Stahlbolzen (c), wenn: 1) die Zugstange (b) erhitzt wird 2) die Mutter (a) festgezogen wird 3) die Zugstange sich wieder abkühlt? Meine Beobachtung: Meine eigene Erklärung für das Phänomen: Wissenschaftliche Erklärung für das Phänomen: Meine Hypothese war. richtig Sekundarschule xxx Name falsch 5 Klasse xxx Natur Technik Ausdehnung von Stoffen Experiment: Ausdehnung von Flüssigkeiten Versuchsaufbau: Fülle das Becherglas mit ganz kaltem Wasser. Fülle das Reagenzglas bis zum Rand mit kaltem Wasser. Stecke den Zapfen mit Glasröhrchen ins Reagenzglas und markiere den Wasserstand mit Filzstift. Meine Hypothese: Was passiert mit dem Wasserstand, wenn ich das Wasser im Reagenzglas erhitze? Versuchsdurchführung: 1. Erhitze das Reagenzglas über dem Brenner (halte es mit der Holzklammer fest) - Meine Beobachtung zum Wasserstand: 2. Stelle das Reagenzglas ins kalte Bechergals. - Meine Beobachtung zum Wasserstand: Meine eigene Erklärung für das Phänomen: Wissenschaftliche Erklärung für das Phänomen: Meine Hypothese war. richtig Sekundarschule xxx Name falsch 6 Klasse xxx Natur Technik Ausdehnung von Stoffen Experiment: Ausdehnung von Gasen Versuchsaufbau: Stülpe den Ballon über den leeren Rundkolben. Meine Hypothese: Was passiert mit dem Ballon, wenn ich den Rundkolben erhitze? Versuchsdurchführung: 1. Erhitze den Rundkolben über dem Brenner (halte ihn mit der Holzklammer fest) - Meine Beobachtung: 2. Lege den Standkolben auf die Schieferplatte und warte ein paar Minuten - Meine Beobachtung: Meine eigene Erklärung für das Phänomen: Wissenschaftliche Erklärung für das Phänomen: Meine Hypothese war. richtig Sekundarschule xxx Name falsch 7 Klasse xxx Natur Technik Ausdehnung von Stoffen Was passiert beim Erwärmen und Abkühlen von Stoffen? Beim Erwärmen. (mache eine Skizze) Beim Abkühlen. (mache eine Skizze) Beim Erwärmen dehnen sich alle Beim Erwärmen dehnen sich alle Feststoffe Flüssigkeiten Gase aus. Feststoffe Flüssigkeiten Gase aus. Der Ausdehnungskoeffizient: Definition: Der ist der Faktor, um pro Grad Celsius ausdehnt oder Gase (alle) Alkohol Essig Quecksil ber Wasser Alu Feststoffe und Kupfer Eisen Jeder Feststoff und seinen/ihren eigenen Beton Glas Granit Ausdehnungskoeffizienten. 1 273 0,003663 0,0011 0,00107 0,0002 0,0002 0,000024 0,000016 0,000012 0,000012 0,000009 0,000005 Ausdehnungskoeffizient welchen sich ein Stoff Temperaturunterschied zusammenzieht. Flüssigkeiten: jede Flüssigkeit hat Gase: Alle Gase haben denselben Ausdehnungskoeffizienten. Sekundarschule xxx Name 8 Klasse xxx Natur Technik Ausdehnung von Stoffen Rechnen mit dem Ausdehnungskoeffizienten 1) Um wie viele cm wächst der 330 hohe Eiffelturm an einem sonnigen Tag bis zum Mittag, wenn die Temperatur am Morgen 10C und am Mittag 35C beträgt? 2) Ein Boiler mit 300 Liter Inhalt wird von 5C auf 65C aufheizt. Wie viele Liter Wasser werden aus dem Boiler gepresst? 3) Ein durchschnittlicher Heissluftballon fasst 4000 m3 Luft. Um wie viele Liter nimmt sein Volumen zu, wenn ich ihn um 15C erwärme? Sekundarschule xxx Name 9 Klasse xxx Natur Technik Ausdehnung von Stoffen ZauberEi Auftrag: Das geschälte Ei soll ins Innere des Erlenmeyer-Kolbens. Es darf dazu einmal angefasst und auf die Öffnung gelegt werden, danach darf es nicht mehr berührt werden. Material: 1 Erlenmeyer-Kolben mit 1cm Wasser gefüllt 1 gekochtes und geschältes Ei Gasbrenner mit Mineralfasernetz Stativ Skizze eures Experiment-Aufbaus: Euer Experiment-Verlauf: Sekundarschule xxx Name 10 Klasse xxx Natur Technik Temperaturmessung Celsius Die Celsius-Skala wurde 1742 vorgestellt und nutzt als Fixpunkte die Temperaturen vom Gefrierpunkt (0C) und Siedepunkt (100C) des Wassers. Kelvin Das Kelvin wurde nach Lord Kelvin benannt, der 1954 diese Temperaturskala einführte. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt am absoluten Nullpunkt bei 273,15 C. Diese Temperatur ist jedoch nie erreichbar, da Teilchen bei 0 keine Bewegungsenergie hätten. TK TC 273.15 TC TK – 273.15 Fahrenheit Herr Fahrenheit wählte als Nullpunkt seiner Temperaturskala die tiefste Temperatur des strengen Winters 1708/1709 in seiner Heimatstadt Danzig (17,8 C). Als zweiten und dritten Fixpunkt legte er den Gefrierpunkt des reinen Wassers bei 32 F und die „Körpertemperatur eines gesunden Menschen bei 96 F fest. Die Fahrenheit-Skala war lange Zeit in Europa in Gebrauch, bis sie durch die Celsius-Skala abgelöst wurde. Heutzutage wird sie nur noch in den USA und in wenigen anderen englischsprachigen Ländern verwendet. Sekundarschule xxx Name 11 Klasse xxx Natur Technik TF TC · 1,8 32 TC (TF 32) · 59 Sekundarschule xxx Name 12 Klasse xxx Natur Technik Anomalie des Wassers Welche Aussagen sind wahr, welche sind falsch? Meine Antworten Ein Liter Wasser von 4C ist schwerer als ein Liter Wasser von 15C. Ein Liter Wasser von 4C ist leichter als ein Liter Wasser von –6C. Ein See muss zuerst komplett auf 4C abgekühlt werden, bevor er gefriert. Jedes Gewässer, und ist es noch so klein, gefriert immer von der Oberfläche zum Grund hin. Mineralwasser kann man ohne Probleme im Tiefgefrierschrank lagern. Wasserschäden an Strassen entstehen, weil das Wasser die Strassen aufweicht. Eine Wasserleitung im Garten sollte vor dem Winter entleert werden. Korrekte Antworte n: Fische überleben den Winter dank der Anomalie des Wassers! 1. Je grösser die Dichte, desto schwerer das Wasser. 2. Wasser hat bei genau 4C die grösste Dichte. 3. Deshalb beträgt im Sommer wie im Winter das Wasser auf dem Grund 4C. 4. Im Sommer erwärmt sich das darüber liegende Wasser, im Winter kühlt sich das darüber liegende Wasser ab und gefriert ev. sogar. 5. Die Fische bleiben im Winter am Grund, im „angenehmen 4-grädigen Wasser: Sekundarschule xxx Name 13 Klasse xxx Natur Technik Anomalie des Wassers Experiment: Wasser gegen Stahl – wer ist stärker? Versuchsaufbau: Eine hohle, mit Wasser gefüllte Stahlkugel wird in einen Eimer mit ca. -18C kaltem EisWasser gelegt. Meine Hypothese: Was passiert mit der Stahlkugel, wenn das Wasser darin sich allmählich abkühlt und gefriert? Versuchsdurchführung meine Beobachtung: Meine eigene Erklärung für das Phänomen: Sekundarschule xxx Name 14 Klasse xxx Natur Technik Wissenschaftliche Erklärung für das Phänomen: Meine Hypothese war. richtig Sekundarschule xxx Name falsch 15 Klasse xxx Natur Technik Gasexplosion Verbrennungsmotor Gasexplosion im Kartonzylinder Meine Beobachtungen: Notiere ganz genau jeden Schritt, den Herr Decurtins in diesem Experiment macht. Mache eine Skizze dazu. Meine eigene Erklärung für das Phänomen: Erkläre, weshalb das passiert ist, was passiert ist. Wissenschaftliche Erklärung für das Phänomen: Sekundarschule xxx Name 16 Klasse xxx Natur Technik Gasexplosion Verbrennungsmotor Gasexplosion im Viertaktmotor Die vier Takte eines Viertaktmotors: Ansaugen: Der Kolben bewegt sich abwärts; es entsteht ein Unterdruck im Zylinder; das Benzin-Luft-Gemisch wird durch das Einlassventil in den Zylinder gesogen. Verdichten: Der sich aufwärts bewegende Kolben drückt das Gemisch zusammen. Arbeiten: Die Zündkerze entzündet das Gemisch: es verbrennt sehr schnell, die Gase dehnen sich schlagartig aus es entsteht ein sehr hoher Druck, der den Kolben als „schwächste Stelle des Zylinders nach unten drückt. Ausstossen: Der Kolben bewegt sich wieder aufwärts und drückt die entstandenen Abgase durch das Auslassventil aus dem Zylinder. Sekundarschule xxx Name 17 Klasse xxx Natur Technik Gasexplosion Verbrennungsmotor Dampfmaschine: Aufgabe: Skizziere eine Maschine, die mit heissem Dampf ein Rad zum Rotieren bringt. Genau dies tat 1776 der schottische Erfinder James Watt, nach dem auch die Grösse Watt benannt wurde: Hilfreiche Stichworte sind: Wasser erhitzen Kolben Ventil Sekundarschule xxx Name 18 Klasse xxx Natur Technik Wärmeströmung in Flüssigkeiten Wärmeausbreitung durch Transport Versuch 1 Fülle ein Becherglas mit kaltem Wasser, stelle es auf das Dreibein und gib einige Körnchen Kaliumpermanganat (KMnO4) hinein. Erwärme nun das Glas etwas ausserhalb der Mitte mit dem Gasbrenner. Beobachtung: Erklärung: Wird die Wärme durch Wärmeleitung verbreitet, geschieht dies durch die Weitergabe der Vibrationen der Teilchen an Teilchen. Beim Wärmetransport bewegen sich die Teilchen an die Orte. Sekundarschule xxx Name 19 Klasse xxx Natur Technik Wärmeströmung in Flüssigkeiten Die Zentralheizung Die Wasserkühlung Versuch 2 An welcher der drei Stellen A, oder würdest du das Wasser im Glasrohr erwärmen, damit das Wasser am besten strömt? Umkreise im linken Bild deinen vermuteten Buchstaben. Welche technische Anlage wird durch diesen Versuch Vermutung Ergebnis erklärt? Die Zentralheizung: Durch die Verbrennung von Heizöl, Erdgas oder Holz (früher: Holzkohle) wird Wasser aufgeheizt. Dieses erwärmte Wasser wird durch eine Umwälzpumpe im Haus nach oben gepumpt. So strömt es in jeder Etage und in jedem Zimmer durch die Schlaufen im Fussboden (Fussbodenheizung) oder durch die Heizkörper an der Wand. Die Wärme wird über den Fussboden oder über die Metallrippen der Heizkörper an die Luft abgegeben und durch Wärmeleitung im ganzen Raum verteilt. Das abgekühlte Wasser strömt in den Heizkessel zurück, wo es erneut erwärmt wird. Die Wasserkühlung eines Automotors: Sekundarschule xxx Name 20 Klasse xxx Natur Technik Die Zylinderwände eines Motors werden von Kühlwasser umspült. Dieses nimmt die durch Verbrennung freiwerdende Wärmeenergie auf (das Wasser erwärmt sich) und transportiert diese zum Kühler. Dort kühlt der vorbeiströmende Fahrtwind das stark erwärmte Wasser ab. Für langsame Fahrten und Stau wird diese Wirkung durch einen Ventilator unterstützt. Sekundarschule xxx Name 21 Klasse xxx Natur Technik Wärmeströmung in Flüssigkeiten Der Kühlschrank Das Grundprinzip Im Kühlschrank ist es so kalt, weil das Kühlmittel innen genauso viel Wärme wegnimmt, wie es aussen auf der Rückseite wieder abgibt. Das geschieht im Innern des Kühlschranks: Das Kühlmittel fliesst in den Gleichzeitig saugt am anderen Ende der das Kühlmittel ab. Durch den Unterdruck das Kühlmittel. Dabei wird benötigt Die Teilchen des Kühlmittels bewegen sich deshalb Diese Energie bezieht das Kühlmittel in Form von aus den Speisen im Kühlschrank. Das geschieht an der Rückwand des Kühlschranks: Der Kompressor den Dampf in den Verflüssiger. Durch Hochdruck das Kältemittel wieder. Dabei wird frei. Die Teilchen des Kühlmittels bewegen sich Diese Energie wird in Form von über die Kühlrippen an die Umgebung abgegeben. Alles klar? – Dann kannst du diese Frage sicher beantworten: Sekundarschule xxx Name 22 Klasse xxx Natur Technik Könntest du die Küche im Sommer dadurch kühlen, dass du die Tür des Kühlschranks offenlässt? Sekundarschule xxx Name 23 Klasse xxx Natur Technik