Die Zentralheizung – kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen

10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
1 von 28
Die Zentralheizung – kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
Marcel Schmengler, Emmelshausen
Steigende Energiekosten, Wärmedämmung,
staatliche Förderung – diese und andere
Begriffe hört man heutzutage häuig. Sie sind
eng mit dem Thema Heizung verbunden.
I/C
Ihre Schüler lernen anhand der Zentralheizung nicht nur fundamentale physikalische
Inhalte kennen, sondern erhalten auch nützliche Tipps, um Energiekosten zu sparen.
Foto: Marcel Schmengler
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Physik mit hohem Alltagsbezug!
Der Beitrag im Überblick
Klasse:
9
Dauer:
7 Stunden
Inhalt:
•
Wärme als Energieform
•
Wärmetransport (Konvektion,
Konduktion, Wärmestrahlung)
ü Einfache Schülerexperimente
•
Ausdehnung von Flüssigkeiten
ü Ein Kreuzworträtsel als LEK
•
Anomalie des Wassers
•
Funktionsweise eines
Sonnenkollektors
•
Speziische Wärmekapazität
•
Wärmepumpe
Ihr Plus:
ü Vernetzung von Schule und Alltag
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
2 von 28
Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise
Hintergrundinformation:
Das Teilchenmodell als Grundlage
I/C
In der Mittelstufe erklärt man die meisten Phänomene der Thermodynamik (z. B. den Aggregatzustand, den Druck und die Temperatur) mithilfe des Teilchenmodells: Alle Stoffe sind aus
Teilchen aufgebaut. Führen Sie auch die Brown’sche Molekularbewegung ein. In Flüssigkeiten
und Gasen bewegen sich die Moleküle ständig unregelmäßig hin und her. Die Brown’sche
Bewegung ist umso stärker, je kleiner die Teilchen sind und je höher die Temperatur der
Flüssigkeit oder des Gases ist. Dann ist nämlich die mittlere kinetische Energie der Teilchen
größer. In festen Körpern schwingen die ortsfesten Teilchen um ihre Ruhelage, in Flüssigkeiten sind die Teilchen gegeneinander verschiebbar und in Gasen nehmen die Teilchen den
gesamten ihnen zur Verfügung stehenden Raum ein.
Einige Schüler haben in Bezug auf das Teilchenmodell eine Reihe von Fehlvorstellungen. Sie
übertragen makroskopische Eigenschaften von Körpern auf die mikroskopische Ebene, z. B.
dass durch Reibung der Teilchen aneinander Wärme entstehen könnte.
Transport von Wärme
T
H
C
Wärme kann auf unterschiedliche Art und Weise übertragen werden. Bei der Wärmeströmung
(Konvektion) transportieren makroskopische Teilchen die thermische Energie. Bei der Wärmeleitung (Konduktion) bleibt dieser makroskopische Materialstrom aus, der Wärmeluss erfolgt
allein aufgrund eines Temperaturunterschiedes. Wärmestrahlung ist elektromagnetische
Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur aussendet. Metalle sind gute Wärmeleiter, Glas, Porzellan, Holz, Steingut und Kunststoffe leiten Wärme schlecht.
I
S
N
Die Anomalie des Wassers
A
R
O
Wasser verhält sich anders als fast alle anderen Stoffe: Es hat bei normalem Luftdruck
(1013 mbar) bei 4° C sein kleinstes Volumen und seine größte Dichte. Dieses anormale
thermische Verhalten bezeichnet man als Anomalie des Wassers. Gefriert Wasser, so dehnt es
sich aus. Eis schwimmt auf Wasser.
V
Die Hauptsätze der Thermodynamik
Die Hauptsätze spielen in diesem Beitrag eine untergeordnete Rolle, dennoch seien sie hier
genannt.
Nullter Hauptsatz:
Bringt man zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in engen Kontakt, so gleichen
sich ihre Temperaturen allmählich aus. Sie haben die gleiche Temperatur, sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist.
Erster Hauptsatz:
Die innere Energie eines Systems kann entweder durch Zufuhr von Wärme oder durch Verrichtung von Arbeit erhöht werden. Die Zunahme der inneren Energie ∆U ist gleich der Summe
aus verrichteter Arbeit ∆W und zugeführter Wärme Q:
∆U = ∆W + Q
Zweiter Hauptsatz:
Es ist nicht möglich, dass eine periodisch arbeitende Maschine ihre gesamte Wärme in Arbeit
umwandelt. Die Entropie in einem abgeschlossenen System nimmt niemals ab.
Dritter Hauptsatz:
Jeder Körper besitzt am absoluten Nullpunkt die Entropie Null. Der absolute Nullpunkt 0 K
kann deshalb experimentell nicht erreicht werden.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
3 von 28
Aggregatzustand und Druck einer Flüssigkeit – die Wärmepumpe
In einer Wärmepumpe wird der Druck eines Kühlmittels innerhalb einer Rohrleitung erst erhöht
und dann wieder gesenkt. So erreicht man, dass sich die Siedetemperatur des Kühlmittels
ändert: Bei einem höheren Druck steigt auch die Siedetemperatur. Erläutern Sie Ihren Schülern
diesen Sachverhalt anhand eines Schnellkochtopfes, der durch den hohen Innendruck auch
eine höhere Siedetemperatur des Wassers zur Folge hat.
Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts
Vorkenntnisse der Schüler
I/C
Ihre Schüler
– kennen die Temperatur ϑ und ihre Messung,
– gehen mit der Temperaturskala, den Begriffen Schmelz- und Siedepunkt und der Einheit
Kelvin routiniert um,
– wissen, dass sich Körper im Allgemeinen bei Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung
zusammenziehen,
T
H
C
– begreifen die Energie als Fähigkeit, Arbeit zu verrichten,
– kennen die Gasgesetze (z. B. Gay-Lussac).
Ablauf
I
S
N
Die vorliegenden Materialien bilden exemplarisch einige Inhalte der Wärmelehre ab. Anhand
von Material M 1 erarbeiten sich die Schüler den Aufbau und die Funktionsweise einer
Zentralheizung. Das Material gibt Anregungen, über weitere Fragen nachzudenken. Mit den
Materialien M 2 und M 3 führen Sie die Wärme als eine Form von Energie ein und erarbeiten
den nullten Hauptsatz der Wärmelehre.
A
R
O
Verschiedene methodische Möglichkeiten
Sie können die Materialien M 4–M 9 als Stationenlernen einsetzen. Dafür benötigen Sie zwei
Doppelstunden. Die Schüler erarbeiten sich die Inhalte dann selbstständig. Es ist aber auch
möglich, die Materialien in Einzelarbeit bearbeiten zu lassen. Sollten Sie über ausreichend Zeit
verfügen, bieten Ihnen die Materialien auch die Möglichkeit, die Sachverhalte zu vertiefen.
Als Beispiel hierfür sei Material M 4 genannt, das die Ausdehnung von Wasser bei Erwärmung behandelt. Natürlich können Sie auch die Ausdehnung anderer Flüssigkeiten betrachten.
Beziehen Sie Ihre Schüler in die Planung der Stunden mit ein.
V
Die Experimente können die Schüler mit einfachen Mitteln und ohne großen Vorbereitungsaufwand durchführen.
Aktuelle Fragen der Energieversorgung
Der Beitrag stellt aktuelle Bezüge zu modernen Heizungsanlagen und Aspekten der Wärmedämmung her. Die Materialien beschäftigen sich mit Sonnenkollektoren (M 8) und der Funktionsweise einer Wärmepumpe (M 10/M 11). Behandeln Sie diese Inhalte hintereinander. M 12
geht auf den U-Wert und die Wärmedämmung eines Hauses ein. Ihre Schüler erkennen, dass
sich eine Wärmedämmung lohnt.
Ein Rätsel als Lernerfolgskontrolle
Anhand von Material M 13 prüfen Ihre Schüler, ob sie die wichtigsten Begriffe der Unterrichtseinheit verinnerlicht haben. Mit den richtigen Antworten auf die Fragen füllen sie ein Rätsel
aus, das sie mittels eines Lösungswortes selbst kontrollieren können.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
4 von 28
Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz
Allgemeine
physikalische
Kompetenz
F 1, F 2, F 4,
K4
F 1, E 7
I/C
Inhaltsbezogene Kompetenzen
Anforderungsbereich
Die Schüler …
… beschreiben den Aufbau und die Funktionsweise
einer Zentralheizung (M 1),
I
… erläutern anhand einfacher Versuche, dass Wärme
eine Form von Energie ist (M 2),
I
K5
… dokumentieren die Ergebnisse ihrer Experimente
(M 2–M 9),
E1
… beobachten, dass sich ein Körper infolge von
Wärmezufuhr ausdehnt (M 4),
E3
… erklären Phänomene mithilfe des Teilchenmodells
(M 4, M 7, M 12),
K3
… recherchieren Hintergrundinformationen zu verschiedenen Themen rund um die Heizung (M 5,
M 9),
II
E8
… führen Versuche selbstständig zu Hause durch
(M 3, M 7),
II
K2
… unterscheiden am Beispiel der Wärmepumpe
zwischen technischen und physikalischen Begriffen
(M 11),
F4
… übertragen die erworbenen Kenntnisse aus der
Wärmelehre auf den Kontext Heizung (M 4, M 5,
M 6, M 7, M 12),
II, III
K4
… beschreiben den Aufbau eines Sonnenkollektors
(M 8) und einer Wärmepumpe (M 11),
II
B2
… wägen den Nutzen einer Wärmedämmung ab und
belegen dies mit einer Rechnung (M 12),
III
E4
… wenden Formeln der Wärmelehre an (M 9, M 12).
II, III
I
II, III
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
I, II
II
Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf
CD-ROM 27.
Minimalplan
Beschränken Sie sich auf die Materialien M 4–M 9.
Die Schüler erarbeiten sich anhand von Versuchen die Tatsache, dass sich Flüssigkeiten bei
Erwärmung ausdehnen (M 4), die Anomalie des Wassers (M 5), die Wärmeströmung aufgrund
eines makroskopischen Teilchenstroms (M 6/M 7) und die Tatsache, dass dunkle Körper einen
großen Teil der auffallenden Strahlung verschlucken, ein Prinzip, das man sich bei Sonnenkollektoren zunutze macht (M 8).
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
6 von 28
Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
SV = Schülerversuch
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
· D = Durchführungszeit
LV = Lehrerversuch
Fo = Folie
M1
Ab
Aufbau und Funktionsweise einer Zentralheizung
M2
Ab, SV
Wärme ist eine Form von Energie
· V: 5 min
· D: 10 min
r Papierspirale
r Nadel
r dünner Nähfaden
Ab, SV
Wärme breitet sich aus – der nullte Hauptsatz
· V: 5 min
· D: 65 min
r Thermometer
r Becher mit warmem Wasser
Ab, SV
Flüssigkeiten dehnen sich bei Erwärmung aus
· V: 5 min
· D: 15 min
r Erlenmeyerkolben
r Gummistopfen mit Loch
r Kaliumpermanganat
Ab, SV
Frostschutz für die Heizung? – Die Anomalie des Wassers
· V: 5 min
r Reagenz- und Becherglas
r Eiswürfel
r Klebestreifen
I/C
M3
M4
M5
· D: 15 min
r Becher mit kaltem
Wasser
r Glasrohr
r Wasser
r Glycerin
T
H
C
I
S
N
A
R
O
M6
r Teelicht
r Feuerzeug oder
Streichhölzer
r Wasser
r Salz
r Lineal
Ab, SV
Wärmetransport durch Teilchen – die Konvektion
· V: 5 min
· D: 5 min
r Rechteckrohr
r Gasbrenner
V
Ab, SV
Der Heizkörper erwärmt die Luft – Konvektion in Luft
M8
Ab, SV
Schwarz absorbiert stärker – der Sonnenkollektor
· V: 5 min
· D: 10 min
r 2 Marmeladengläser
r Thermometer
r schwarze Pappe
Ab, SV
Was kostet ein heißes Bad? – Die spezifische Wärmekapazität
· V: 5 min
· D: 15 min
r Becherglas
r Thermometer
r Wasser
M 10
Fo
Die Bestandteile einer Wärmepumpe
M 11
Ab
So funktioniert eine Wärmepumpe
M 12
Ab
Was bringt eine Wärmedämmung? – Die Wärmeleitung
M 13
LEK
Ein Rätsel zum Thema Heizung
M7
M9
· V: 5 min
· D: 5 min
r Kaliumpermanganat
r Stativmaterial
r Kerze
r Streichhölzer
r Infrarotlampe
r Tesailm
r Schere
r Tauchsieder
r Stoppuhr
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 21.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
M1
7 von 28
Aufbau und Funktionsweise einer Zentralheizung
Sicher hast du schon einmal die Heizungsanlage im Keller eures Wohnhauses gesehen. Hier
lernst du die wichtigsten Bestandteile und die Funktionsweise einer Zentralheizung kennen.
Aufgaben
1. Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau einer Heizungsanlage. Ordne die folgenden
Begriffe den nummerierten Bestandteilen der Heizungsanlage zu.
I/C
Ausdehnung
sg
Vor
efäß
äl z p u
Umw
lau f
Wa
rm
wa
ss
mp e
Heizkessel
er s
pei
c he
r
Rücklauf
e
körp
He iz
Dus
T
H
C
r
c he
I
S
N
A
R
O
V
1.
2.
3.
4. U
5. A
6.
7.
8.
2. Du sitzt in deinem Zimmer und lernst Vokabeln, draußen schneit es. Natürlich möchtest du nicht frieren und drehst die Heizung auf. Beschreibe den Heizkreislauf mit den
Fachbegriffen 1, 3, 4, 7 und 8 aus Aufgabe 1.
Tipp
Beginne deine Beschreibung an der Stelle, an der das Heizwasser den Heizkessel verlässt.
3. Beschreibe das Verfahren der Warmwasserbereitung.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
8 von 28
M2
Wärme ist eine Form von Energie
Die meisten Heizungsanlagen verbrennen heutzutage noch
fossile Brennstoffe. So werden die Heizungen in älteren Häusern
vorwiegend mit Heizöl betrieben. Andere Anlagen nutzen Gas.
Das Foto zeigt einen Gaszähler, wie er in vielen Häusern zu
inden ist.
Foto: Pixelio
Der folgende Versuch beweist dies.
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min
Durchführung: 10 min
Materialien
r Papierspirale
r Teelicht
r Nadel
r Feuerzeug oder
r dünner Nähfaden
r Streichhölzer
A
R
O
V
T
H
C
I
S
N
Versuchsaufbau
Foto: Marcel Schmengler
I/C
Du weißt, dass in Gas chemische Energie gespeichert ist. Daher
liegt die Vermutung nahe, dass die Wärme, die in der Heizungsanlage erzeugt wird, auch eine Form von Energie ist.
Wusstest du schon, dass …
… Wärme in der Einheit Joule (J)
gemessen wird?
Versuchsdurchführung
Zeichne auf ein Blatt eine Papierspirale und schneide sie aus. Stich mit der Nadel ein Loch in
den oberen Teil der Spirale und führe den Faden vorsichtig hindurch. Halte die Papierspirale
am Faden circa 5 cm über das brennende Teelicht.
Vorsicht: Feuergefahr!
Aufgaben
1. Notiere deine Versuchsbeobachtungen. Erkläre, warum Wärme eine Form von Energie ist.
Tipp
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.
2. Überlege dir einen einfachen Versuch, der zeigt, dass man mechanische Energie in Wärme
umwandeln kann.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
M3
9 von 28
Wärme breitet sich aus – der nullte Hauptsatz
Im Winter ist es draußen kalt, also muss die Heizung oder ein zusätzlicher Ofen für Wärme im
Haus sorgen. Im Sommer kommt die Wärme von draußen. Diese möchten wir dann oft nicht
ins Haus lassen. Ein Indikator für die Wärme ist die Temperatur an den verschiedenen Stellen
eines Zimmers. Hier lernst du eine wichtige Eigenschaft von Wärme kennen.
Aufgaben
Schreibe in dein Heft.
I/C
1. Das Wohnzimmer im Winter:
a) Auf dem Foto siehst du einen Kachelofen, wie er im
Winter in vielen Haushalten genutzt wird. Das Feuer
brennt.
Skizziere den Weg der Wärme.
Tipp
Beschreibe die Temperaturentwicklung des Ofens, der
Luft im Raum und des gesamten Raumes.
I
S
N
2. Das Wohnzimmer im Sommer:
a) An einem heißen Tag (30° C) scheint die Sonne in euer
Wohnzimmer.
Skizziere den Weg der Wärme.
T
H
C
Foto: Marcel Schmengler
b) In der Nacht geht das Feuer aus. Was passiert mit dem
warmen Raum? Gehe auf die Bedeutung der Außenwände für die Wärmeentwicklung im Raum ein.
A
R
O
b) Die Sonne geht unter. Was passiert im jetzt warmen Wohnzimmer?
3. Kannst du eine Aussage darüber machen, wie sich Wärme verhält?
V
Experimentiere zu Hause!
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min
Durchführung: 65 min
Materialien
r Thermometer
r Becher mit warmem Wasser
r Becher mit kaltem Wasser
Versuchsdurchführung
a) Notiere zunächst die Raumtemperatur.
b Stelle einen Becher mit kaltem Leitungswasser in das Zimmer, miss die Wassertemperatur
und schreibe sie dir auf.
c) Mache das Gleiche mit warmem Leitungswasser.
Lasse die Becher 1 Stunde stehen und miss dann erneut die drei Temperaturen.
Was fällt dir auf?
Merke
Eine Zustandsgröße (z B. die Temperatur) beschreibt eine Eigenschaft eines Systems in
einem bestimmten Zustand. Wie dieser Zustand erreicht wurde, ist nicht von Bedeutung.
Eine Prozessgröße (z. B. die Wärmemenge) tritt nur bei Zustandsänderungen auf. Für
Prozessgrößen ist es wichtig, wie ein Zustand in einen anderen übergeht.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
M5
11 von 28
Frostschutz für die Heizung? – Die Anomalie des Wassers
Foto: Pixelio
Ventil geborsten, Rohr geplatzt – in der kalten
Jahreszeit geht so manche Heizungsanlage in die
Knie. Für Hausbesitzer ist deshalb erhöhe Aufmerksamkeit angesagt. Denn bei „selbst verschuldeten“
Frostschäden an der Heizung muss die Versicherung
keinen Cent zahlen, zeigt ein Blick auf einige Urteile.
Quelle: http://www.welt.de/inanzen/verbraucher/article2815097/
So-wappnen-sich-Hausbesitzer-fuer-den-Frost.html (17.08.2011)
I/C
Der Ausschnitt aus dem Artikel belegt, dass durch Unachtsamkeit im Umgang mit der
Heizungsanlage – vor allem bei längerer Abwesenheit, beispielsweise während eines Winterurlaubs – große Schäden entstehen können. Im folgenden Versuch gehst du der Frage nach,
warum das Wasser in den Heizungsrohren niemals einfrieren darf.
Die Anomalie des Wassers
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min
T
H
C
Durchführung: 15 min
Materialien
r Reagenz- und Becherglas
I
S
N
r Eiswürfel
r Klebestreifen
Versuchsaufbau
r Wasser
r Salz
r Lineal
A
R
O
V
Versuchsdurchführung
Stelle zunächst eine Kältemischung her. Dazu zerkleinerst du das Eis und vermischst es mit
Salz (2/3 Eis und 1/3 Salz). Die Temperatur dieser Mischung beträgt ungefähr –15° C. Fülle
Wasser in das Reagenzglas. Markiere die Höhe des Wasserstandes mit dem Klebestreifen.
Stelle das Reagenzglas in die Kältemischung. Beobachte, wie das Wasser seinen Aggregatzustand ändert.
Aufgaben
1. Wie hoch steht das Eis nach dem Versuch im Reagenzglas? Gib die Änderung in Prozent
an.
2. Beschreibe mit eigenen Worten, wie es zum Platzen von Heizungsrohren kommen kann.
3. Die Eigenschaft des Wassers, die du in diesem Versuch untersucht hast, wird Anomalie
des Wassers genannt. Informiere dich darüber, wie das Temperatur-Dichte-Diagramm für
Wasser aussieht.
Bei welcher Temperatur hat Wasser sein geringstes Volumen?
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
12 von 28
M6
Wärmetransport durch Teilchen – die Konvektion
Hier ein Auszug aus einem Kundengespräch bei einer Wartung der Heizung im Altbau:
Monteur: „Mit dem Brenner ist alles in Ordnung, die
Werte sind gut. Allerdings ist Ihre Umwälzpumpe
defekt.“
I/C
Kunde: „Ach, das habe ich gar nicht bemerkt. Die
Heizkörper sind nämlich alle warm. Ich hatte nur das
Gefühl, dass es etwas länger gedauert hat.“
Monteur: „Ja, frieren müssen Sie nicht. Das liegt an der
alten Anlage, dadurch …“
Tatsächlich funktioniert die Zentralheizung in alten Häusern, die ausreichend dicke Rohrleitungen besitzen, auch ohne Umwälzpumpe. Der folgende Versuch verdeutlicht dies.
Die Wärmemitführung in Wasser
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min
Durchführung: 5 min
T
H
C
Materialien
r Rechteckrohr
r Stativmaterial
r Gasbrenner
r Kaliumpermanganat
I
S
N
Versuchsaufbau
A
R
O
V
Versuchsdurchführung
In das mit Wasser gefüllte Rechteckrohr (die Heizungsanlage) gibst du einige Körnchen
Kaliumpermanganat. Die linke untere Ecke erhitzt du vorsichtig mit einem Gasbrenner.
Aufgaben
1. Notiere deine Beobachtungen in deinem Heft.
2. Finde eine einleuchtende Erklärung für das beobachtete Phänomen.
Tipp
Die Dichte des Wassers ändert sich.
3. Erkläre mit eigenen Worten, warum die Heizung auch ohne Pumpe funktioniert.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
14 von 28
M8
Schwarz absorbiert stärker – der Sonnenkollektor
Viele Haushalte machen sich die Wärmestrahlung der Sonne zunutze. Sie unterstützen
durch Sonnenkollektoren ihre Warmwasserbereitung. Hier erfährst du, wie diese Sonnenkollektoren funktionieren.
Aufbau eines Sonnenkollektors
I/C
Die Abbildung zeigt den Aufbau eines typischen Sonnenkollektors. Er hat einen Absorber;
das ist ein wärmegedämmtes Gehäuse, das mit einem speziellen Glas abgedeckt ist. Innerhalb
des Gehäuses verläuft ein Röhrensystem, der Wärmeträger. Dieser ist mit dem Warmwasserkreislauf der Heizung verbunden. Die aus der Sonne gewonnene Wärme wird zur Unterstützung der Warmwasserbereitung genutzt.
Wie ein Sonnenkollektor funktioniert, verdeutlicht folgender Versuch.
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min
Durchführung: 10 min
Materialien
r 2 Marmeladengläser
r schwarze Pappe
r Thermometer
r Tesailm
r Infrarotlampe
r Schere
Versuchsdurchführung
Beklebe ein Marmeladenglas ringsum mit schwarzer Pappe. Fülle Leitungswasser in das
beklebte und das unbeklebte Glas und miss die Wassertemperatur. Notiere sie in deinem
Heft. Stelle die Infrarotlampe im Abstand von 20 cm zu den Gläsern auf und schalte sie ein.
Notiere jeweils nach 1 Minute die Wassertemperaturen in beiden Gläsern. Vergleiche. Schalte
die Lampe nach 10 Minuten wieder aus.
Aufgaben
1. Beschreibe deine Beobachtungen.
2. Erkläre mithilfe des Versuchsergebnisses die Funktionsweise eines Sonnenkollektors.
3. Welche Aufgaben haben der Absorber und die Wärmedämmung des Gehäuses?
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
16 von 28
M 10 Die Bestandteile einer Wärmepumpe
Verdampfer
Kompressor
I/C
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Wärmetauscher
(Verflüssiger)
Fotos: Marcel Schmengler
Expansionsventil
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
17 von 28
M 11 So funktioniert eine Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank. Der Unterschied besteht in
der Richtung, in der die Wärme ließt. Der Kühlschrank entzieht dem Inneren Wärme und gibt
sie über die Rückseite in den Raum ab. Dagegen entnimmt die Wärmepumpe Wärme aus der
Außenluft oder der Erde und nutzt sie zur Erwärmung des Heizkreislaufes.
Der Text beschreibt schrittweise die Technik, auf der eine Wärmepumpe beruht.
I/C
2. Kompressor
Wärmequelle
1. Verdampfer
Wärmenutzung
3. Verflüssiger
T
H
C
4. Ventil
Aufbau der Wärmepumpe
I
S
N
A
R
O
Die obige Abbildung zeigt den Aufbau einer Wärmepumpe. Sie besteht aus einem geschlossenen Rohrsystem. Innerhalb dieses Rohrsystems beindet sich ein sogenanntes Kältemittel.
Dabei handelt es sich heutzutage meist um Propan, dessen Siedepunkt bei 20 bar bei 56° C
liegt. Dahingegen siedet es bei 2 bar bereits bei einer Temperatur von –25° C. Erhöht man den
Druck auf das Kältemittel, so ändert es seinen Aggregatzustand: Es geht es vom gasförmigen
in den lüssigen Zustand über.
V
Funktionsweise
Das Kühlmittel gelangt mit einer niedrigen Temperatur zum Verdampfer (Position 1). Dort
ist es indirekt mit der Wärmequelle in Kontakt, die eine höhere Temperatur besitzt als das
Kühlmittel. Das Kühlmittel entzieht der Luft Wärme, seine Temperatur steigt. Dadurch erreicht
es seinen Siedepunkt und verdampft. Das gasförmige Kühlmittel gelangt zum Kompressor
(Position 2). An dieser Stelle wird der Druck auf das gasförmige Kühlmittel erhöht, die Temperatur steigt auf circa 60° C. Der Kompressor wird elektrisch angetrieben. Die Grundversorger
bieten hierfür meist einen vergünstigten Stromtarif für Wärmepumpen an.
Das unter hohem Druck stehende, gasförmige Kühlmittel gibt seine Wärme an den Heizkreislauf ab. Im Verlüssiger (Position 3) indet der Wärmetausch statt. Hier ließt von unten
nach oben Wasser durch. Dieses erwärmt sich auf ungefähr 50° C und wird zum Heizen der
Räume genutzt.
Wenn das Kühlmittel seine Wärme abgegeben hat, ändert es erneut seinen Aggregatzustand,
es wird wieder lüssig. Es steht immer noch unter einem hohen Druck. Im Expansionsventil
(Position 4) wird das Kühlmittel entspannt, sodass es wieder unter normalem Druck steht.
Dadurch kühlt es sich auch wieder auf die ursprüngliche Temperatur ab.
Der Kreislauf beginnt vorn vorne.
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
19 von 28
M 12 Was bringt eine Wärmedämmung? – Die Wärmeleitung
Fotos: Marcel Schmengler
Die Energiekosten steigen immer weiter. Das betrifft
natürlich auch euer Zuhause. Um die Raumtemperatur im
Winter konstant bei 20° C zu halten, muss man heizen. Die
Wärme geht durch die Außenwände verloren.
Man versucht, die Wände so zu dämmen bzw. im Neubau
so zu wählen, dass möglichst wenig Wärme entweicht.
Aber wie gelangt die Wärme durch die Wände nach
draußen?
Der Infokasten zur Wärmeleitung beantwortet diese Frage.
I/C
Rohbau aus Wärmestein
Der U-Wert
Wie gut oder schlecht eine Wand die Wärme im Haus hält, verrät der sogenannte Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert). Er gibt an, wie viel Wärmeleistung pro Quadratmeter Wand
bei einem Temperaturunterschied von 1 K verloren geht.
Beispiel: Eine reine Betonwand hat einen U-Wert von 3,3 W/m²K. Bei einem Temperaturunterschied von 20 K und einer Wandläche von 20 m² ergibt sich eine Verlustleistung von
T
H
C
P = 3,3 W/m²K • 20 K • 20 m² = 1320 W = 1,32 kW.
Info: Wärmeleitung (oder Konduktion)
I
S
N
Wärmeleitung bedeutet, dass Wärme innerhalb eines Stoffes transportiert wird, ohne dass
ein makroskopischer Materialstrom stattindet. Ursache hierfür ist, dass sich Wärme immer
von Stellen höherer Temperatur (T1) zu Stellen niedrigerer Temperatur (T2) ausbreitet.
Mit dem Teilchenmodell lässt sich dies folgendermaßen erklären: An Stellen höherer
Temperatur (Innenwand) schwingen die Teilchen schneller. Sie stoßen die benachbarten
Teilchen an. Diese beginnen nun auch, stärker zu schwingen. Dieser Prozess setzt sich in
der ganzen Wand fort. Dadurch, dass allmählich alle Teilchen stärker schwingen, erhöht sich
die Temperatur der gesamten Wand. Die Wärme aus den Innenräumen wird nach draußen
transportiert.
A
R
O
V
Innenwand (T1)
Außenwand (T2)
warme Luft
kalte Luft
schnelle
Teilchenbewegung
langsame
Teilchenbewegung
Aufgaben
1. Berechne ausgehend von dem obigen Beispiel die Stromkosten pro Tag für eine Wärmepumpe (1 kWh  0,18 €). Annahme: Die Wärmepumpe arbeitet dauerhaft.
2. Führe dieselben Rechnungen wie im Beispiel und Aufgabe 1 mit einer Wand aus einem
Porenbetonstein durch (U-Wert = 0,2 W/m²K).
3. Familie Schneider wohnt in einem Altbau. Ihre Heizkosten betragen 1500 € im Jahr. Der
Heizungsbauer berechnet einen durchschnittlichen U-Wert des Hauses von 1,5 W/m²K
und rät zur Dämmung des Hauses. Nach der Dämmmaßnahme (Kosten 10 000 €) hat das
Haus einen U-Wert von 0,3 W/m²K.
Nach wie vielen Jahren hat Familie Schneider die Kosten für die Dämmung gedeckt?
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
20 von 28
M 13 Ein Rätsel zum Thema Heizung
Aufgabe
Löse das Rätsel. Die Buchstaben in den markierten Feldern ergeben in der richtigen Reihenfolge ein Lösungswort. (Beachte: „ä“ wird als „ae“ geschrieben, „ß“ als „ss“.)
1
2
I/C
3
4
5
6
7
T
H
C
8
9
10
I
S
N
11
12
A
R
O
13
14
15
V
1. Wird in Grad Celsius oder in Kelvin gemessen
2. Maßnahme, um den Wärmeverlust an einer Außenwand zu verringern
3. Verhindert Schäden an der Heizungsanlage, die durch das Erhitzen des Wassers im Heizkessel der Heizungsanlage entstehen können
4. Luft ist ein schlechter
.
5. Erhöht sich im Laufe des Heizkreislaufes
6. Auch Wärme ist eine Form von
.
7. Teil der Heizung, der den Kreislauf in Gang hält
8. Alternative zu herkömmlichen Heizkörpern
9. Für Wasser beträgt die speziische
4,2 kJ/kgK.
10. Unterstützt die Warmwasserbereitung
11. Wichtiges Bauteil der Wärmepumpe mit K
12. Verhalten bei Erwärmung
13. Der Prozess, bei dem in einem Gas chemische Energie in Wärme umgewandelt wird
14. Wird durch den Energieversorger abgelesen
15. Wird hauptsächlich zur Wärmedämmung eingesetzt
Lösungswort:
27 RAAbits Physik Mai 2012
10. Kontextorientiert in die Wärmelehre einsteigen
21 von 28
Erläuterungen und Lösungen
M1
Aufbau und Funktionsweise einer Zentralheizung
Die Schüler wissen an dieser Stelle in der Regel noch nicht, dass Wärme eine Form von
Energie ist. Deshalb wird dieser Zusammenhang in der Lösung auch noch nicht erwartet.
Vielmehr sollen sich Ihre Schüler mit dem Heizkreislauf und der Warmwasserbereitung
auseinandersetzen. Sie erwerben in der Aufgabe 1 Fachbegriffe, die sie später anwenden.
I/C
Lösungen
1. 1. Heizkessel, 2. Dusche, 3. Heizkörper, 4. Umwälzpumpe, 5. Ausdehnungsgefäß, 6. Warmwasserspeicher, 7. Vorlauf, 8. Rücklauf.
2. Mit Unterstützung der Umwälzpumpe (4) gelangt das heiße Wasser über den Vorlauf (7) in
den Heizkörper (3). Dadurch wird der Raum erwärmt. Das erkaltete Wasser läuft am unteren
Ende des Heizkörpers in den Rücklauf (8). Im Heizkessel (1) wird es erwärmt. Anschließend
verlässt es den Kessel wieder, der Kreislauf beginnt von Neuem.
3. Der Heizkessel erwärmt das Wasser im Warmwasserspeicher. Drehst du den Heißwasserhahn an der Dusche auf, erhältst du warmes Wasser aus diesem Speicher. Das Wasser
ließt ab und neues Wasser wird im Heizkessel erwärmt.
M2
Wärme ist eine Form von Energie
T
H
C
I
S
N
Um im Unterricht Zeit zu sparen, lassen Sie Ihre Schüler die Papierspirale im Vorfeld zu Hause
basteln. Achten Sie darauf, dass sie als Faden einen relativ dünnen Nähfaden verwenden,
da sich die Spirale ansonsten nur leicht bis gar nicht bewegt. Die Schüler wissen bereits,
dass Energie die Fähigkeit ist, Arbeit zu verrichten. Dieser leichte Freihandversuch verdeutlicht
ihnen, dass auch Wärme eine Form von Energie ist.
A
R
O
Lösungen
1. Hält man die Papierspirale über die Kerzenlamme, so beginnt sie sich nach einer kurzen
Zeit zu drehen. Dann besitzt die Spirale Bewegungsenergie. Da Energie nicht aus dem
Nichts entstehen kann, sondern verschiedene Energieformen nur ineinander umgewandelt
werden können, muss die Wärme, die von der Kerze ausgeht, eine Form von Energie sein.
V
2. Es gibt mehrere Möglichkeiten:
Zum Beispiel entsteht Wärme, wenn man die Hände aneinanderreibt. Bohrt man mit einer
Bohrmaschine ein Loch in eine Wand, so wird der sich drehende Bohrer durch Reibung
heiß. Beim Bremsen mit der Fahrradbremse steigt die Temperatur in der Nabe. Fährt man
mit angezogener Handbremse Auto, so werden die Felgen heiß.
M3
Wärme breitet sich aus – der nullte Hauptsatz
Erläutern Sie den Schülern den Unterschied zwischen Wärme, einer Prozessgröße (die
also vom Weg abhängt), und der Temperatur, einer Zustandsgröße. Diese Unterscheidung ist
wichtig, verdeutlicht sie doch, dass wir ständig Energie benötigen, um es im Winter warm zu
haben. Indem die Schüler den Wärmetransport beschreiben, arbeiten sie im Prinzip schon mit
Begriffen wie Konvektion, Wärmeleitung oder Wärmestrahlung. Ihnen ist klar, dass der Ofen
den Raum erwärmt, allerdings noch nicht, wie genau die Luft zirkuliert. Gehen Sie später noch
einmal auf die Mechanismen ein, wie Wärme transportiert werden kann.
27 RAAbits Physik Mai 2012