Wärmetransport

Wärmelehre

Wärmetransport

  • Warum werden Häuser mit Schaumstoffen gedämmt?
  • Wie bleiben Tiere im Winter warm?
  • Wie kommt eigentlich die Wärme der Sonne zur Erde?

Ziel des Versuchs

  • Demonstrieren, dass verschiedene Metalle die Wärme unterschiedlich gut leiten.

Aufbau und Durchführung

Auf einen Metallstab aus Kupfer bzw. Messing (gleiche Länge, gleicher Querschnitt) werden Wachsringe aufgefädelt bzw. Plastellinklumpen auf die Unterseite gedrückt. Zwischen den beiden horizontal eingespannten Stäben erfolgt die Erwärmung mit einem Bunsenbrenner.

2 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zum Nachweis der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Metallen

Beobachtung

 

Es zeigt sich, dass die Erwärmung von der Mitte zu den Rändern hin fortschreitet. Über den Kupferstab breitet sich die Wärme schneller aus als über den Messingstab, was an dem früheren Herabfallen der Wachsringe, bzw. Platellinklumpen sichtbar wird.

Hinweis: Würde man anstelle des Messingstabes einen Glasstab mit gleichen Abmessungen verwenden, so würde beim Glasstab das Herabfallen der Ringe bzw. Klumpen noch wesentlich später erfolgen. Glas ist also kein sehr guter Wärmeleiter.

Alternative

Eine Variation des obigen Versuchs zeigt das folgende Video. Auf einem Metallkreuz aus drei verschiedenen Metallen liegt jeweils am Ende der Metallbleche ein Zündholz. Das Kreuz wird nun im Zentrum von unten mit dem Bunsenbrenner beheizt. Dasjenige Metall, bei dem sich das Zündholz zuerst entflammt, ist der beste Wärmeleiter.

Anwendung der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer

Flammenbild Bunsenbrenner bei Kupfernetz in der Flamme
Stefan Richtberg; Brenner: B. Lachner via openclipart.org

Die gute Wärmeleitung von Kupfer kann man auch mit der skizzierten Versuchsserie demonstriert werden:

Hältst du über den Bunsenbrenner, dessen Flamme noch nicht entzündet ist, ein gut wärmeleitendes Drahtnetz aus Kupfer und entzündest das Gas wie in (1) unterhalb des Drahtnetzes, so bildet sich nur unterhalb des Netzes eine Flamme. Oberhalb des Netzes bildet sich keine Flamme aus, da das gut wärmleitende Drahtnetz verhindert, dass die Entzündungstemperatur des Gases über dem Netz erreicht wird (mittleres Bild).

Wiederholst du den Versuch, zündest jetzt das Gas wie in (2) aber oberhalb des Drahtnetzes an, so bildet sich die Flamme nur oberhalb des Drahtnetzes aus. Eine Entzündung der unteren Gasstrecke wird durch die Wärmeableitung des Kupfernetzes verhindert.

Praktisch genutzt wurde die gute Wärmeleitfähigkeit von Kupfer in Grubenlampen, die beim Bergbau zum Einsatz kamen. Hier verhinderte ein Kupfernetz in den Lampen Schlagwetterexplosionen. Mehr über Aufbau und Funktion dieser Lampen findest du hier.

Ziel des Versuchs

Mit dem Versuch wollen wir zeigen, dass Flüssigkeiten meist schlechte Wärmeleiter sind.

Aufbau und Durchführung

Material zum Versuch zur Wärmeleitung von Flüssigkeiten
Abb.
1
Material zum Versuch zur Wärmeleitung von Flüssigkeiten

Für den Versuch benötigst du ein Reagenzglas, einen Bunsenbrenner, ein Thermometer, Eis, Wasser, ein Feuerzeug, etwas Draht und Stativmaterial. Einige kleine Stücke Eis platzierst du am Boden des Reagenzglases und sorgst mit dem Draht dafür, dass das Eis nicht nach oben steigt, wenn du das Reagenzglas fast ganz mit Wasser füllst.

Nun hängst du das Reagenzglas leicht schräg mithilfe des Stativmaterials auf und erhitzt das Wasser im oberen Bereich des Reagenzglases.

Aufgabe
Durchführung des Versuchs
Abb.
2
Durchführung des Versuchs

Stelle eine Vermutung auf, was mit dem Eis im unteren Bereich des Reagenzglases passiert, wenn du das Wasser im oberen Bereich zum Kochen gebracht hast.

Lösung

Überprüfe deine Vermutung mithilfe des folgenden Videos mit der Versuchsdurchführung.

Durchführung und Beobachtung im Video

Wärmeleitung in Wasser

Abb. 3 Versuch zur Wärmeleitung in Wasser

Beobachtung

Auch wenn das Wasser im oberen Bereich des Reagenzglases kocht, schmelzen die Eiswürfel im unteren Bereich des Reagenzglases nicht. Das Thermometer zeigt im oberen Bereich Temperaturen knapp unterhalb des Sidepunktes von \(100\,^{\circ}\rm{C}\). Die Temperatur im unteren Bereich des Reagenzglases ist jedoch auch nach einiger Zeit noch unterhalb von \(5\,^{\circ}\rm{C}\).

Ergebnis

Da trotz der hohen Temperatur im oberen Bereich des Reagenzglases das Eis im unteren Bereich nicht schnell schmilzt, sondern die Temperaturen unten auch nach einiger Zeit noch sehr niedrig sind, gelangt nur sehr wenig Wärme aus dem Bereich des heißen Wassers in den Bereich des kalten Wassers. Daraus kannst du folgern:

Wasser ist ein relativ schlechter Wärmeleiter.

Einschränkung

Bei Flüssigkeiten tritt neben der Wärmeleitung in der Regel die Konvektion (Wärmetransport durch Teilchentransport) als ein weiterer Transportmechanismus für Wärme auf. Über den Transportmechanismus der Konvektion kann mithilfe von Wasser bzw. Flüssigkeiten sehr viel Wärme transportiert werden. Auf diesem Phänomen beruht z.B. der Transport der Wärme von der Heizung im Keller zum Heizkörper im Dachgeschoss.

Ziel des Versuchs

  • Nachweis, dass Gase sehr schlechte Wärmeleiter sind.

Gase sind schlechte Wärmeleiter
Abb.
1
Gase sind schlechte Wärmeleiter
Dass Gase in der Regel sehr schlechte Wärmeleiter sind, kannst du schon durch einen einfachen Versuch deutlich erfahren:

Während in der Bunsenbrennerflamme Temperaturen von bis zu \(1400\,^{\circ}\rm{C}\) herrschen, kannst du die Hand knapp seitlich (!) neben die Flamme bringen, ohne dass die Gefahr einer Verbrennung für deine Hand besteht. Offensichtlich ist die Luft zwischen der Flamme und der Hand ein sehr schlechter Wärmeleiter. 

Gase sind schlechte Wärmeleiter

Hinweis:
Bei Gasen tritt neben der Wärmeleitung in der Regel die Konvektion als ein weiterer Transportmechanismus für die Energie auf. Daher darfst du die Hand auch nicht über die Flamme halten. Hier würdest du dir aufgrund der durch Konvektion übertragenen Energie die Hand verbrennen.

Leidenfrost-Effekt

Leidenfrost-Effekt
Abb.
2
Leidenfrost-Effekt
Vielleicht ist es dir schon einmal passiert, dass du etwas Wasser auf einer heißen Platte des Elektroherdes verschüttet hast. Dabei kannst du beobachten, dass das Wasser nicht einfach zerläuft, sondern sich kleine Wassertropfen bilden. Und diese kleine Wassertropfen verdampfen auch nicht sofort, sondern gleiten wie auf einem Luftkissen über die heiße Platte. Dieses Phänomen bezeichnet man als Leidenfrost-Effekt oder Leidenfrostsches Phänomen.
Bringst du einen Wassertropfen auf eine mit dem Bunsenbrenner stark aufgeheizt Metallplatte, so bildet sich schnell eine Schicht aus Wasserdampf zwischen dem Tropfen und der heißen Platte. Da der Wasserdampf ein schlechter Wärmeleiter ist, gelangt nur sehr wenig Energie von der Platte zum Tropfen. Dadurch "überlebt" der Tropfen deutlich länger als erwartet.

Video zum Leidenfrost-Effekt

Wärmekonvektion im Modell einer Warmwasserheizung

Den folgende Versuch und den hierin stattfindenden Wärmetransport kannst du analog als Modell für eine Warmwasserheizung (ohne Pumpe) verstehen.

Aufgabe
  1. Beschreibe mithilfe des Videos, welche Gegenstände im Versuchsaufbau Bestandteilen einer Warmwasserheizung entsprechen.
  2. Erkläre das Zustandekommen des Wärmetransportes mit deinen eigenen Worten.
Lösung
  1. Der Bunsenbrenner stellt den Heizkessel im Keller dar, da er für das Erhitzen des Wassers zuständig ist und die Glasrohre stehen für die Rohre, die vom Keller in die Wohnung bzw. von der Wohnung in den Keller führen.
  2. Das durch den Bunsenbrenner links unten erwärmte Wasser hat eine etwas kleinere Dichte als das umgebende Wasser. Aufgrund der Auftriebskraft steigt das Wasser nach oben. Es stellt sich ein Kreislauf ein, mit dessen Hilfe das warme Wasser im Uhrzeigersinn durch die Anlage getrieben wird. Es findet eine Wärmetransport durch den Transport der Wasserteilchen, also Konvektion, statt.

Hinweis: Bei modernen Warmwasserheizungen verwendet man eine Umlaufpumpe, damit der Wasserkreislauf schneller in Gang kommt.

Positionierung eines Heizkörpers

In manchen Altbauwohnungen befinden sich die Heizkörper für die Zimmer nicht unter dem Fenster, sondern auf der dem Fenster gegenüberliegenden Zimmerseite. Diese Anordnung des Heizkörpers ist sehr ungünstig, da die kalte Luft die von außen durch das Fenster in das Zimmer dringt, zum Boden abfällt und die warme Luft über dem Heizkörper aufsteigt. Eine Person bekommt in diesem Zimmer leicht kalte Füße, während die warme Luft in der Nähe der Zimmerdecke ist.
  Ist der Heizkörper direkt unter dem Fenster angebracht, so durchmischen sich die warme Luft, die über dem Heizkörper aufsteigt und die kalte Luft, die vom Fenster auf den Boden sinkt. Somit kommt es nicht zu der kalten Luftschicht am Boden.
 

Strömungsverhältnisse im Modellversuch zeigen

Man kann die Strömungsverhältnisse in einem Modellzimmer nachbilden:
Als Modellzimmer dient ein wassergefülltes Aquarium, als Modellofen ein 2kg-Massenstück, das zuvor in kochendem Wasser erwärmt wurde. Als Modellfenster wählen wir eine Plastikbox mit Löchern, in die Eiswürfel gefüllt wurden. Die im Wasser auftretenden Strömungen können im Schattenwurf gut beobachtet werden (Schlierenbildung).
Die Uni Würzburg bietet hier einen weiteren kleinen Film zur Konvektion

Reflexion der Temperaturstrahlung

Temperaturstrahlung weist viele Gemeinsamkeiten mit dem uns vertrauten sichtbaren Licht auf. Sie breitet sich z. B. im Vakuum geradlinig mit der Geschwindigkeit \(300\;000\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{s}}}\) aus. Beim Auftreffen auf polierte Metallflächen kann die Temperaturstrahlung reflektiert werden. Dies kann eindrucksvoll in dem folgenden Versuch demonstriert werden:

Im Brennpunkt eines blank polierten Hohlspiegels sitzt eine Quelle, die Temperaturstrahlung aussendet. Aufgrund der Reflexion der Strahlung am Hohlspiegel entsteht ein Parallelbündel, das auf einen zweiten Hohlspiegel trifft, in dessen Brennpunkt sich ein Zündholz befindet. Das auf den rechten Hohlspiegel treffende Parallelbündel wird im Brennpunkt dieses Spiegels fokussiert. Das Zündholz wird entflammt.

Die Universität Würzburg bietet einen kleinen Videofilm zu dem oben beschriebenen Versuch an.

Absorption der Temperaturstrahlung

In zwei gleichgroße Bechergläser wird jeweils die gleiche Menge Wasser von Zimmertemperatur gegossen. Ein Becherglas ist mit glänzendem Silberpapier, das andere Becherglas ist mit berußtem Silber umhüllt. Bei Bestrahlung mit der Heizsonne steigt die Temperatur im rechten Becherglas stärker an als im linken. Daraus schließen wir, dass Körper mit dunkler Oberfläche die Temperaturstrahlung stärker absorbieren als solche mit heller oder glänzender Oberfläche.

Die Universität Würzburg bietet einen kleinen Videofilm an, in dem die Absorption von Temperaturstrahlung durch verschiedene Materialien untersucht wird.

Emission der Temperaturstrahlung

In zwei gleichgroße Bechergläser wird jeweils die gleiche Menge heißes Wasser gegossen. Ein Becherglas ist mit glänzendem Silberpapier, das andere Becherglas mit berußtem Silberpapier umhüllt. Nach längerer Zeit zeigt das rechte Becherglas eine niedrigere Temperatur als das linke Glas. Daraus schließen wir, dass Körper mit dunkler Oberfläche die Temperaturstrahlung stärker emittieren als solche mit glänzender Oberfläche.

Nachweis der Temperaturstrahlung

Der Nachweis der Temperaturstrahlung geschieht an der Schule meist durch eine Thermosäule, welche aus vielen Thermoelementen aufgebaut ist. Mit der Thermosäule könnte man die Temperaturstrahlung im direkten Sonnenlicht nachweisen, diese Strahlung wird aber auch von einer Bogenlampe ausgesandt, wie der folgende Versuch zeigt.

Mit Hilfe eines Geradsichtprismas wird vom Bogenlampenlicht ein Spektrum entworfen. Durchfährt man dieses Spektrum mit einer Thermosäule, so stellt man besonders in dem nicht sichtbaren Spektralbereich jenseits vom Rot starke Ausschläge am Mikrovoltverstärker fest.

Man nennt die, mit der Thermosäule nachgewiesene Strahlung Infrarot-Strahlung (kurz: IR) oder Temperaturstrahlung.

Die Universität Würzburg bietet einen kleinen Videofilm an, in dem die detaillierte Durchführung des Versuches zum Nachweis der Infrarotstrahlung betrachtet werden kann.

Ziel des Versuchs

Mit dem Versuch kannst du zeigen, dass Farbe und Beschaffenheit der Oberfläche eines Körpers Einfluss auf die Intensität der abgestrahlten Wärmestrahlung haben.

Mit geeigneten Messungen mit dem Versuchsaufbau können auch das KIRCHHOFFsche Strahlungsgesetz und das STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz überprüft werden.

Aufbau

Aufbau für Versuche mit dem LESLIE-Würfel
Abb.
1
Aufbau für Versuche mit dem LESLIE-Würfel

Für den Versuch benötigst du einen sog. LESLIE-Würfel, der zu Beginn des 19. Jh. vom englischen Physiker und John LESLIE (1766 - 1832) zur Untersuchung von Wärmestrahlung entwickelt wurde.

Der LESLIE-Würfel ist ein hohler Metallwürfel mit vier unterschiedlich beschaffene Seiten - schwarz, weiß, matt und spiegelnd - und kann mit warmen Wasser gefüllt werden. Er wird auf einem drehbaren Tischchen mittig positioniert.

Zur Messung der vom Würfel ausgehenden Wärmestrahlung wird ein Thermosäule genutzt. Diese wandelt thermische Energie in eine elektrische Spannung (Thermospannung) um. Da diese Spannungen sehr klein sind, wird ein Messverstärker (Verstärkung um den Faktor \(10^4\)) benötigt. An diesen ist ein Spannungsmesser angeschlossen. Für quantitative Versuche empfiehlt sich ein Messverstärker mit eingebauter Digitalanzeige.

Hinweis: Vor der Versuchsdurchführung muss das Schutzglas von der Thermosäule entfernt werden.

Durchführung (qualitativ)

Der LESLIE-Würfel wird mit warmem Wasser gefüllt. Nach kurzer Zeit haben alle Seiten des Würfels die gleiche Temperatur. Dann wird nacheinander jeweils eine Seite das Würfels in Richtung der Thermosäule gedreht und die sich ergebende Thermospannung am Spannungsmesser abgelesen.

Aufgabe

Stelle (wenn möglich begründete) Hypothesen auf, wie groß die sich ergebenden Thermospannungen der vier unterschiedlichen Seiten des Würfels im Vergleich miteinander sind.

Anregungen für Hypothesen: Welche der Seiten strahlt am stärksten ab und sorgt so für die höchste Thermospannung? Oder strahlen alle vier Seiten gleich stark ab und die Thermospannungen sind identisch?

Lösung

Begründete Hypothesen wären zum Beispiel:

Hypothese 1: Die sich ergebende Thermospannung ist bei allen vier Würfelseiten identisch, da alle Seiten die gleiche Temperatur besitzen.

Hypothese 2: Die sich ergebende Thermospannung ist bei der spiegelnden Seite am geringsten, da diese Seite Strahlung besonders gut reflektiert.

Überprüfe deine aufgestellten Hypothesen (oder die beiden Hypothesen aus der vorherigen Lösung) mithilfe des Videos zur Versuchsdurchführung unterhalb des Aufgabenkastens.

Lösung

Die aufgestellte Hypothese 1 trifft nicht zu, da sich unterschiedliche Thermospannungen ergeben.

Die Hypothese 2 trifft zu, da im Versuch die spiegelnde Seite zur geringsten Thermospannung von nur \(0{,}3\,\rm{V}\) führte.

Wärmestrahlung am Leslie Würfel

Abb. 2 Versuchsdurchführung

Beobachtung

Die schwarz bzw. weiß lackierten Seiten führen zu deutlich höheren Thermospannungen als die matte bzw. die verspiegelte Seite. Der Unterschied zwischen schwarz und weiß lackierter Seite ist nur minimal, ebenso der Unterschied zwischen matter und verspiegelter Seite.

Erklärung

Die sich ergebenden Thermospannungen sind ein Maß für die von den Würfelseiten in Form von Wärmestrahlung abgestrahlte Energie. Deshalb bedeutet die Beobachtung, dass bei gleicher Temperatur die schwarz bzw. weiß lackierten Seiten deutlich mehr Energie in Form von Wärmestrahlung abstrahlen als die matte und die verspiegelte Seite. Für eine genauere Erklärung benötigen wir das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz.

KIRCHHOFFsches Strahlungsgesetz (qualitativ)

Je besser eine Oberfläche Strahlung aufnimmt (absorbiert), desto besser gibt sie auch Strahlung ab (emittiert).

Mithilfe des KIRCHHOFFschen Strahlungsgesetzes kannst du folgende Erklärung für die Beobachtungen geben:

Die schwarz bzw. weiß lackierten Seiten absorbieren Strahlung besser als die metallischen Seiten. Deshalb emittieren sie Strahlung auch deutlich besser als diese.

Die verspiegelte Seite reflektiert einen großen Teil der Strahlung und absorbiert nur einen geringen Teil. Deshalb emittiert sie aber auch besonders schlecht.

Auch auf die matte Seite treffende Strahlung wird zum Großteil reflektiert, allerdings diffus (in alle Raumrichtungen) und nicht regelmäßig wie bei der verspiegelten Seiten. Da diese Seite daher aber auch schlecht absorbiert, emittiert sie auch schlecht Wärmestrahlung und nur unwesentlich mehr als die verspiegelte Seite.

Warum emittieren schwarz und weiß Wärmestrahlung aber in nahezu gleicher Größenordnung?

Eine schwarze Fläche absorbiert Licht doch viel besser als eine weiße Fläche, die das Licht gut reflektiert. Wieso unterscheiden sich dann die Thermospannungen im Versuch kaum? Hier spielt die Temperatur eine wichtige Rolle. Ein Körper mit einer Temperatur von z.B. \(80\,^{\circ}\rm{C}\) strahlt Wärmestrahlung am intensivsten im Infrarotbereich (bei \(\lambda\approx 8\,\rm{\mu m}\)) ab und nicht im sichtbaren Bereich. Aus der Farben, mit der wir mit unseren Augen die Flächen sehen, kann daher kein direkter Rückschluss auf die Emissionsfähigkeit bei solchen Temperaturen geschlossen werden. Hier spielt die "Farbe" im infraroten Bereich die maßgebliche Rolle.

Weitere Versuche mit dem LESLIE-Würfel

Mit geeigneten Messungen können mit diesem Versuchsaufbau auch das KIRCHHOFFsche Strahlungsgesetz und das STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz bestätigt werden. Anleitungen hierzu bieten die Lehrmittelhersteller.

Weiter kannst du mit einem LESLIE-Würfel aber auch anschaulich zeigen, dass berührungslose Thermometer, die über Wärmestrahlung die Temperatur eines Körpers messen, nicht für metallische Oberflächen geeignet sind. Das Thermometer zeigt für die einzelnen Seiten unterschiedliche Temperaturen an, da es bei der internen Temperaturberechnung immer von einer typischen Absorptions- bzw. Emissionsfähigkeit ausgeht.

bei verschiedenen Rahmenbedingungen

Bei diesem Versuch soll der zeitliche Verlauf der Erwärmung von Kupferplatten bei Bestrahlung mit einer Filmleuchte untersucht werden. Die vier Kupferplatten sind alle von gleicher Größe, sie unterscheiden sich jedoch in den Rahmenbedingungen:

  • 1. Platte: Blanke Kupferplatte ohne Ummantelung
  • 2. Platte: Schwarz gestrichene Kupferplatte ohne Ummantelung
  • 3. Platte: Schwarz gestrichene Kupferplatte mit Styropor-Rahmen
  • 4. Platte: Schwarz gestrichene Kupferplatte mit Styropor-Rahmen und Glasabdeckung

Damit die Erwärmung der Platten festgestellt werden kann, besitzen diese jeweils auf der Rückseite eine Halterung für ein Flüssigkeitsthermometer.

Versuchsauswertung:

Zeit in Minuten
0
2
5
8
11
14
1. Platte
20
24
30
35
37
39
2. Platte
20
34
55
64
67
69
3. Platte
20
42
70
87
94
99
4. Platte
20
37
66
89
102
111

Temperatur in °C

 

Graphische Auswertung:


 

Versuchsergebnisse:

  • Nach einem anfänglichen Anstieg verlaufen alle vier Kurven annähernd parallel zur Zeitachse. Die Absorption der jeweiligen Platten ist dann gleich deren Emission. Es ist ein Gleichgewichtszustand erreicht (Strahlungsgleichgewicht).
  • Das geringste Absorptionsvermögen besitzt die blanke Kupferplatte (1. Platte).
    Die schwarz gestrichene Kupferplatte im Styroporrahmen (3. Platte) hat ein wesentlich höheres Absorptionsvermögen als die einfache schwarze Kupferplatte (2. Platte). Das Styropor auf der Rückseite der 3. Platte verhindert Abstrahlung, Konvektion der Luft und Wärmeleitung fast vollständig.
    Bei der 4. Platte ist der Temperaturanstieg zunächst langsamer als bei der 3. Platte (teilweise Reflexion der sichtbaren Strahlung an der Glasplatte). Nach etwa der Hälfte der Versuchsdauer steigt jedoch die Temperatur am höchsten von allen vier Platten an. Das Glas verhindert teilweise die Konvektion auf der Vorderseite der Kupferplatte. Außerdem ist das Glas für die von der Kupferplatte emittierte Temperaturstrahlung schlecht durchlässig (Treibhauseffekt).

Heizung mit Katze
Abb.
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Die Katze genießt den Wärmetransport des Heizkörpers.
olivierk5 via pixabay
Für die Heimversuche zum Wärmetransport benötigst du Wärme und Kälte. Manche der Versuche lassen sich besser im Sommer oder Winter durchführen. Viel Erfolg!

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier, welche Arten von Wärmetransport zur Kühlung eines Computers eingesetzt werden.

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