Experimente zur Wärmelehre

Achtung: Sicherheit hat immer Vorrang! Versuche mit offenem Feuer oder elektrischen Heizquellen dürfen stets nur in Anwesenheit eines Erwachsenen durchgeführt werden.

Temperatur und Wärme

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Temperatur und Wärme.

Wärme-Empfindung der Hände

Material:

  • Drei Schüsseln
  • Wasserkocher
  • Eiswürfel

Durchführung:

  • Fülle drei Schüsseln mit warmem (nicht zu heißem!), lauwarmem und kaltem Wasser. Stelle sie nebeneinander und tauche die rechte Hand in das warme, die linke Hand in das kalte Wasser. Tauche dann beide Hände in die mittlere Schüssel mit dem lauwarmen Wasser.
  • Welche Wärme-Empfindung hast Du bei der rechten, welche bei der linken Hand?
  • Was folgerst Du daraus über die Wärme-Empfindung des Menschen? Lässt sie sich zur Temperaturmessung nutzen?

Ausbreitung von Wärme

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Ausbreitung von Wärme.

„Kalte“ und „warme“ Materialien

Material:

  • Eine Fliese, ein Stück Holz, etwas Watte, o.ä.
  • Ein Thermometer (optional)
  • Mehrere gleichförmige Materialproben (verschiedene Metalle, Kunststoff o.ä. als Stäbe oder Streifen) mit passender Halterung
  • Eine Schüssel
  • Heißes Wasser (ca. \unit[50]{\degree C})

Durchführung:

  • Lasse eine Fliese, ein Stück Holz, etwas Watte oder ähnliche Materialien über längere Zeit im gleichen Raum liegen. Im Laufe der Zeit werden sich ihre Temperaturen wohl angleichen (Kontrolle: Temperaturmessung mit einem Thermometer). Dennoch fühlen sich manche Materialien „kalt“, andere „warm“ an. Woran kann dies liegen?
  • Fülle heißes Wasser in eine Schüssel oder ein anderes passendes Gefäß. Platziere gleich geformte Materialproben so in einer passenden Halterung, dass sie gleich weit in das heiße Wasser eintauchen. Fühle dann an den gegenüber liegenden Enden, wie schnell sich die einzelnen Materialproben auch dort „heiß“ anfühlen. Was kannst Du daraus bezüglich der Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Materialien folgern?

Wärmeleitfähigkeit und Wärmeströmung in Luft

Material:

  • Eine Kerze

Durchführung:

  • Führe eine Hand von der Seite langsam und vorsichtig an die Kerzenflamme heran, ohne diese zu berühren. Ab welcher Entfernung spürst Du eine deutliche Erwärmung? Was kannst Du daraus bezüglich der Wärmeleitfähigkeit von Luft folgern?
  • Nähere eine Hand langsam und vorsichtig von oben an die Kerzenflamme heran. Ab welcher Entfernung spürst Du nun eine deutliche Erwärmung? Was kannst Du daraus bezüglich der Wärmeströmung von Luft folgern?

Wärmeleitfähigkeit von Wasser

Material:

  • Ein Reagenzglas aus Glas
  • Ein Reagenzglashalter aus Holz
  • Eine Kerze oder ein Bunsenbrenner
  • Ein kleiner Eiswürfel (optional)
  • Ein kleines Steinchen (optional)

Durchführung:

  • Fülle ein Reagenzglas mit kaltem Wasser, halte es mit einem Reagenzglashalter fest und erhitze es mit einer Kerze oder einem Bunsenbrenner am oberen Ende. Wie schnell verändert sich die Temperatur am unteren Ende? Was folgerst Du daraus bzgl. der Wärmeleitfähigkeit von Wasser?
  • Gebe einen kleinen Eiswürfel in das Reagenzglas und beschwere es mit einem kleinen Steinchen, so dass es an den Boden des Reagenzglases sinkt. Wiederhole den Versuch, indem Du mit einem Bunsenbrenner wiederum das obere Ende des Reagenzglases erwärmst. Kannst Du auf diese Weise Wasser in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) gleichzeitig beobachten?

Absorption von Wärmestrahlung

Material:

  • Eine Wärmelampe oder elektrische Heizplatte
  • Zwei Reagenzgläser aus Glas mit durchbohrtem Stopfen
  • Zwei passende Glasröhrchen
  • Tinte oder Lebensmittelfarbe
  • Schwarzes und weißes Tonpapier
  • Aluminiumfolie

Durchführung:

  • Fülle zwei Reagenzgläser etwa \unit[2]{cm} hoch mit gefärbtem Wasser und verschließe sie mit einem durchbohrten Stopfen. Stecke in die Bohrungen je ein enges Glasrohr, das bis in das Wasser hinab reicht.
  • Umwickle das erste Reagenzglas mit weißem, das andere mit schwarzem Papier. Stelle beide Gläser im gleichen Abstand vor einer elektrischen Wärmelampe auf. In welchem Reagenzglas steigt die Wassersäule schneller an?
  • Umwickle das erste Reagenzglas mit weißem Papier, das andere mit Aluminiumfolie. Stelle wiederum beide Gläser im gleichen Abstand von der Wärmelampe auf. In welchem Reagenzglas steigt die Wassersäule nun schneller an?
  • Umwickle beide Reagenzgläser mit schwarzem Papier. Stelle eines direkt vor die Wärmelampe, das andere hinter eine dicke, durchsichtige Glasplatte. In welchem Reagenzglas steigt die Wassersäule schneller an?
  • Stelle einen Spiegel vor einer Wärmelampe auf und beleuchte damit indirekt ein ein schwarz umwickeltes Reagenzglas. Ändert sich die Wassersäule in dem Reagenzglas?

Eigenbau eines Thermos-Gefäßes

Material:

  • Ein großes Weck- oder Schraubglas
  • Ein kleines Schraubglas
  • Ein Trinkglas
  • Ein flaches Stück Kork oder Styropor
  • Aluminium-Folie
  • Heißes Wasser
  • Ein Messbecher
  • Ein Thermometer

Durchführung:

  • Wickle ein bis zwei Schichten Aluminium-Folie um das Schraubglas. Fixiere sie mit einem Stück Klebeband.
  • Lege ein Stück Styropor oder Kork mittig in das große Schraubglas. Es sollte nur so hoch sein, dass auch das kleine Schraubglas noch mit Platz hat.
  • Gieße mit Hilfe eines oder Messbechers je eine gleich große Menge an heißem Wasser in das Trinkglas und das kleine Schraubglas. Verschließe letzteres mit dem Deckel, stelle es in das große Schraubglas und verschließe auch hier den Deckel.
  • Miss nach knapp 10 Minuten mit einem Thermometer die Temperatur des Wassers im Trinkglas sowie im kleinen Schraubglas. Welches Gefäß „speichert“ die Wärme besser?

Ausdehnung bei Erwärmung

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Ausdehnung bei Erwärmung.

Wärmeausdehnung einer Metallkugel

Material:

  • Eine Metallkugel mit Aufhängung
  • Eine Metallöse mit passender Bohrung

Durchführung:

  • Erhitze eine Kugel, die bei Zimmertemperatur gerade noch durch eine passende Bohrung passt. Passt die Kugel immer noch durch die Bohrung?
  • Was passiert, wenn sie wieder abkühlt?

Wärmeausdehnung von Wasser

Material:

  • Ein Reagenzglas mit durchbohrtem Stopfen
  • Ein passendes Glasröhrchen
  • Tinte oder Lebensmittelfarbe
  • Wasserfester Filzstift
  • Wasserbad (Elektrische Heizplatte, mit Wasser gefüllter Topf)

Durchführung:

  • Fülle ein Reagenzglas bis zum Rand mit kaltem, schwach gefärbtem Wasser und verschließe es mit einem durchbohrten Stopfen. Führe durch den Stopfen ein enges Glasrohr. Unter dem Stopfen darf keine Luftblase bleiben.
  • Markiere den Wasserstand mit einem wasserfesten Filzstift. Erhitze das Reagenzglas in einem Wasserbad. Was passiert, wenn das das Wasser erwärmt wird?
  • Was passiert, wenn das Reagenzglas wieder mit kaltem Wasser übergossen wird?

Wärmeausdehnung von Wasser und Petroleum im Vergleich

Material:

  • Zwei Reagenzgläser mit durchbohrtem Stopfen
  • Zwei passende Glasröhrchen
  • Wasserbad (Elektrische Heizplatte, mit Wasser gefüllter Topf)
  • Etwas Petroleum

Durchführung:

  • Fülle ein Reagenzglas mit Wasser, ein anderes mit Petroleum. Verschließe sie mit einem durchbohrtem Stopfen und führe durch den Stopfen ein dünnes Glasrohr. Erhitze beide Reagenzgläser in einem Wasserbad.
  • Warum werden gleich große Reagenzgläser und gleich weite Glasrohre benutzt?
  • Bei welcher Flüssigkeit nimmt das Volumen stärker zu?

Wärmeausdehnung von Luft

Material:

  • Ein Reagenzglas oder Rundkolben mit durchbohrtem Stopfen
  • Ein passendes Glasröhrchen
  • Eine mit Wasser gefüllte Schale

Durchführung:

  • Verschließe ein Reagenzglas oder einen Rundkolben mit einem durchbohrten Stopfen und führe durch den Stopfen ein dünnes Glasrohr. Tauche das Glasrohr in Wasser und erwärme das Reagenzglas mit der Hand oder mit einer Flamme. Was kannst Du beobachten?
  • Was passiert, wenn das Reagenzglas anschließend mit kaltem Wasser übergossen wird?

Wärmeausdehnung von Wasser 2

Material:

  • Eine Schüssel
  • Eiskaltes und \unit[10]{\degree C} warmes Wasser
  • Zwei Thermometer

Durchführung:

  • Fülle auf \unit[0]{\degree C} kaltes Wasser vorsichtig Wasser mit einer Temperatur von etwa \unit[10]{\degree C} (Tip: Gieße das Wasser auf ein kleines Hölzchen, das auf dem kalten Wasser schwimmt). Messe nach kurzer Zeit mit zwei Thermometern die Temperaturen an der Ober- und Unterseite der Wasser-Schichtung.
  • Welches Thermometer zeigt die höhere Temperatur an?
  • Bei welcher Temperatur besitzt Wasser somit die höhere Dichte?

Wärmeausdehnung von Wasser 3

Material:

  • Ein Standzylinder (\unit[500]{ml})
  • Zwei Thermometer
  • Eiswürfel

Durchführung:

  • Fülle einen Standzylinder mit kaltem Wasser und gib (ohne Umrühren) einige Eisstückchen dazu. Messe nach einiger Zeit mit zwei Thermometern die Temperatur am oberen und unteren Rand des Eiswassers.
  • Welche Temperatur hat das Wasser an der Oberfläche, welche am Boden des Standzylinders?
  • Bei welcher Temperatur besitzt Wasser somit die höhere Dichte?

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