Der Effekt von Hitze: Einfache Experimente mit Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen Teach article

Übersetzt von Miriam Sonnet. Vom selbstgemachten Thermometer bis zu wachsenden Stricknadeln: In diesem Artikel finden Sie einfache aber lustige Experimente für Grundschüler, die den Effekt von Hitze auf Festkörper, Flüssigkeiten und Gasen erforschen.

Flüssiges Gold wird in
eine Gussform gegossen,
um einen Goldbarren
herzustellen

Mit freundlicher Genehmigung
von The Puzzler;
Abbildungsquelle: Flickr

Warum spritzen sich Elefanten Wasser auf ihren Rücken? Wie bildet sich Nebel? Und warum machen Züge ein „Klicketi Klack“ Geräusch? Ihre Schüler werden Antworten auf all diese Fragen haben, sobald sie die Effekte von Hitze auf Festkörper, Flüssigkeiten und Gase verstehen.

Diese kleine Sammlung von Experimenten beginnt damit, dass wir die Veränderungen der Eigenschaften der drei Aggregatszustände durch Hitze erforschen. Anschließend werden wir untersuchen, wie Hitze Gase, Flüssigkeiten und Festkörper ineinander umwandeln kann. Nach jedem Experiment werden wir, genau wie es richtige Wissenschaftler tun, unsere Ergebnisse hinterfragen und über Verbesserungen der Experimentgestaltung nachdenken.

Mit freundlicher Genehmigung
von videophoto / iStockphoto

Jedes der fünf Experimente beruht auf einfachen Materialien und ist für Schüler im Alter von 7-11 Jahren geeignet (obwohl der Gutachter den Artikel für Schüler im Alter von 10-13 Jahren empfohlen hat). Die Experimente können zusammen einen ganzen Tag dauern, aber sie können auch in verschiedenen Unterrichtsstunden durchgeführt werden. Bevor Sie beginnen, bitten Sie Ihre Schüler darüber nachzudenken, was Festkörper, Flüssigkeiten und Gase hinsichtlich ihrer Erscheinung und Eigenschaften eigentlich darstellenw1.

Eigenschaften verändern

1) Stellt euer eigenes Thermometer her: Gase dehnen sich aus, wenn sie erhitzt werden

Dieses Experiment zeigt, dass sich Gase durch Hitzeeinwirkung ausdehnen. Basierend auf diesem Prinzip basteln die Schüler ihr eigenes Thermometer.

 

Sicherheitshinweis

Lehrer sollten den Schritt, in der die Schere benutzt wird, selbst durchführen. Beachten Sie auch den generellen Science in School Sicherheitshinweis.

 

Quecksilber und flüssiger
Stickstoff. Um die Schüler
mit den Unterschieden
zwischen Festkörpern,
Flüssigkeiten und Gasen
vertraut zu machen,
benutzen Sie Beispiele von
Materialien wie zum
Beispiel Quecksilber oder
flüssigen Stickstoff, die in
einem untypischen
Zustand existieren. Dies
hilft, Behauptungen, wie
‘alle Metalle sind fest’ zu
hinterfragen. Heben Sie
ebenfalls hervor, dass Luft
nicht ein einziges Gas
(ebenfalls ein
Missverständnis), sondern
eine Mischung aus
verschiedenen Gasen ist.

Image courtesy of dem10 /
iStockphoto

Materialien

Pro Schülergruppe benötigen Sie:

  • Eine unbiegsame Plastikflasche mit Deckel
  • Knetmasse, zum Beispiel Plasticine®
  • Einen transparenten Plastikstrohhalm
  • Eine Schere
  • Lebensmittelfarbe
  • Leitungswasser

Vorgehensweise

Das selbstgemachte
Thermometer

Mit freundlicher Genehmigung
von Andrew Brown
  1. Benutzen Sie eine Schere, um ein Loch in den Flaschendeckel zu schneiden. Das Loch sollte so groß sein, dass der Strohhalm hinein passt.
     
  2. Füllen Sie die Flasche bis zur Hälfte mit kaltem Wasser.
     
  3. Fügen Sie ein paar Tropfen der Lebensmittelfarbe hinzu und rühren Sie die Mischung um.
     
  4. Schrauben Sie die Flasche mit dem Deckel zu und schieben Sie den Strohhalm durch das Loch ins Wasser. Stellen Sie sicher, dass der Strohhalm nicht den Boden der Flasche berührt.
     
  5. Verschließen Sie das Loch mit der Knetmasse und fixieren Sie so den Strohhalm. Die Abdichtung muss luftundurchlässig sein.
     
  6. Halten Sie eine Hand an den oberen Teil der Flasche. Was passiert mit der Flüssigkeit und warum?

Was passiert?

Altmodisches
Quecksilberthermometer. Die
Flüssigkeit im Thermometer
dehnt sich aus wenn sie
erwärmt wird und drückt sich
so an der engen Glaswand
hoch. Das Thermometer in
Experiment 1 beruht auf der
Ausdehnung von Gas, nicht
von Flüssigkeit

Mit freundlicher Genehmigung
von Andres Rueda;
Abbildungsquelle: Flickr

Die Handwärme erhitzt die Luft in der Flasche. Die Luft dehnt sich aus und drückt auf das Wasser, was im Strohhalm nach oben steigt.

Fragen für die Schüler

  1. War es wirklich die Hitze, die den Strohhalm durch die Flüssigkeit zum Aufsteigen gebracht hat? Oder könnte dies durch den Druck der Hand passiert sein?
     
  2. Wie können wir dies experimentell testen?

Antworten: Da die Flasche nicht biegsam ist und sie wahrscheinlich nicht gequetscht wurde, hat Hitze und nicht Druck die Flüssigkeit im Strohhalm nach oben gedrückt. Testen Sie dies, indem Sie die Hände sehr nahe, aber nicht direkt an die Flasche halten und beobachten Sie, ob die Flüssigkeit immer noch im Strohhalm nach oben steigt.

2) Beobachtung einer wachsenden Stricknadel: Auch Festkörper dehnen sich bei Erhitzung aus

Im vorherigen Experiment war Handwärme zur Ausdehnung des Gases in der Flasche ausreichend. Festkörper dehnen sich bei einer Temperaturerhöhung jedoch viel weniger aus als Gase. Im folgenden Experiment benutzen wir eine einfache aber sensible Vorrichtung, um die Ausdehnung einer Stricknadel bei Erhitzung durch eine Kerze zu beobachten.

 

Sicherheitshinweis

Da in diesem Experiment Flammen und scharfe Objekte benutzt werden, ist es ratsam, das Experiment nur zu demonstrieren. Beachten Sie auch den generellen Science in School Sicherheitshinweis.

 

Materialien

Experiment 2: Beobachtung
einer wachsenden
Stricknadel. Zum Vergrößern
auf das Bild klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Andrew Brown
  • Eine Stricknadel aus Metall
  • Zwei leere Glasflaschen (geeignet sind zum Beispiel Weinflaschen)
  • Einen Korken, der auf eine der Flaschen passt
  • Einen Satz Schlüssel oder andere Objekte (zum Beispiel Modelliermasse), um ein Ende der Stricknadel zu beschweren
  • Einen Stapel Bücher (oder andere Objekte, um das Gerät zu unterstützen)
  • Eine Nähnadel mit runden Stiel
  • Einen Strohhalm
  • Ein Teelicht
  • Streichhölzer

Vorgehensweise

  1. Drücken Sie den Korken zur Hälfte in eine der Flaschen.
  2. Drücken Sie das scharfe Ende der Stricknadel in eine Seite des Korkens, so dass die Stricknadel gerade über dem Rand der Flasche sitzt.
  3. Legen Sie das andere Ende der Stricknadel über die Öffnung der anderen Flasche.
  4. Stecken Sie die Nähnadel durch den Strohhalm (bei circa einem Drittel der Länge des Strohhalms). Das Loch sollte so klein sein, dass sich der Strohhalm nicht um die Nadel herum drehen kann.
  5. Platzieren Sie die Nähnadel (mit Strohhalm) über der Öffnung der zweiten Flasche unter die Stricknadel und im rechten Winkel zu ihr.
  6. Hängen Sie ein Gewicht (z.B. Schlüssel) ans freie Ende der Stricknadel.
  7. Richten Sie den Strohhalm nach unten aus.
  8. Legen Sie einen Bücherstapel zwischen die zwei Flaschen.
  9. Stellen Sie eine Kerze auf den Bücherstapel. Passen Sie die Höhe des Stapels so an, dass die Kerzenspitze ungefähr 3 cm von der Stricknadel entfernt ist.
  10. Zünden Sie die Kerze an. Was passiert mit dem Strohhalm? Durch was wird dies verursacht?
Ein Verbindungsstück zur
Brückenausdehnung

Mit freundlicher Genehmigung
von Ingolfson;
Abbildungsquelle: Wikimedia
Commons

Was passiert?

Durch die Hitze der Kerze dehnt sich die Stricknadel aus. Da dies in Längsrichtung passiert, verrutscht die Stricknadel und bewegt so die Nähnadel. Der Strohhalm vergrößert die kleine Bewegung der Nähnadel.

Fragen für Ihre Schüler

  1. Wir haben gesehen, dass sich Festkörper und Gase ausdehnen wenn sie erhitzt werden. Was ist mit Flüssigkeiten?

    Antwort: Flüssigkeiten sind keine Ausnahme- auch sie dehnen sich bei Erwärmung aus.
     

  2. Welche Probleme könnten durch Hitze verursachte Ausdehnung bei Brücken oder Eisenbahnschienen entstehen?

    Antwort: Beachten Sie die Bilder zur Rechten.

Ein Verbindungsstück zur
Schienenausdehnung,
markiert durch einen Pfeil

Mit freundlicher Genehmigung
von PixOnTrax;
Abbildungsquelle: Wikimedia
Commons
Dänemark´s Storebæltsbroen (Die Brücke über den Großen Belt).
Probleme, die durch Festkörperexpansion entstehen: Schienen und Brücken dehnen sich bei warmen Temperaturen aus, was eine Verbiegung oder Zerstörung zur Folge haben kann. Schieneningenieure lassen Lücken zwischen den Schienenabschnitten, um einen Raum für Ausdehnung zu schaffen. Diese Lücken verursachen die typischen „Klicketi Klack“ Geräusche, wenn die Räder über die Lücken rollen. Auch Brücken können abschnittsweise gebaut werden. Die einzelnen Abschnitte werden durch ausdehnbare Verbindungsstücke zusammen gehalten; die 18 km lange Storebæltsbroen (Die Brücke über den Großen Belt) in Dänemark kann sich bei heißen Temperaturen bis zu 4.7 m ausdehnen!
Mit freundlicher Genehmigung von Kdhenrik; Abbildungsquelle: Flickr

Zustandsveränderungen

Bis jetzt haben die Schüler erfahren, dass sich Festkörper und Gase ausdehnen, wenn wir sie erhitzen. Auch haben Sie den Schülern gesagt, dass sich Flüssigkeiten genauso verhalten. Aber was passiert, wenn wir Stoffe weiter erhitzen (Abbildung 1)? Bitten Sie Ihre Schüler, sich einen Goldbarren vorzustellen. Dieser ist bei Raumtemperatur, bei 100° C und sogar bei 500°C fest. Aber was passiert, wenn wir die Temperatur auf 1064°C erhöhen? Bei dieser Temperatur passiert etwas Faszinierendes: Das feste Gold wird flüssig! Wird die Flüssigkeit weiter auf 2856°C erhitzt, fängt sie an zu kochen und wird gasförmig.

Abbildung 1: Das Diagramm zeigt die Prozesse, die für die Umwandlung der drei Aggregatszustände ineinander zuständig sind. Zustandsveränderungen sind wieder umkehrbar.
Images courtesy of k.landerholm, atomicshark und Vélocia; Abbildungsquelle: Flickr
Der weltgrößte Goldbarren
befindet sich in einem
Museum in Toi, Japan. Der
Barren wiegt 250 kg und ist
zur Zeit 12 Millionen US
Dollar wert

Mit freundlicher Genehmigung
von PHGCOM;
Abbildungsquelle: Wikimedia
Commons

Natürlich ist dies ein extremes Beispiel; die meisten von uns werden niemals sehen, wie sich Gold in Gas umwandelt. Aber alle Schüler kennen die drei Aggregatszustände von Wasser: Eis wird zu Wasser (bei 0°C) und dann gasförmig, wenn es verdunstet (100°C). Hitze bewirkt also nicht nur die Ausdehnung von Stoffen, sondern sie kann auch Zustandsveränderungen hervorrufen. Verschiedene Stoffe benötigen unterschiedlich viel Hitze, um in einen andern Zustand umgewandelt zu werden. Um Gold zum Kochen zu bringen wird mehr Hitze benötigt, als zum Kochen von Wasser. In der Theorie jedoch können alle Stoffe in allen drei Aggregatszuständen vorkommen.

In den folgenden Experimenten werden wir uns anschauen was passiert, wenn wir flüssiges Wasser in Gas und wieder zurück verwandeln.

3) Flüssigkeit wird zu Gas: Verdunstung am Finger

Bevor Flüssigkeiten kochen wird ein Teil zu Gas – erinnern Sie Ihre Schüler an den Dampf, der aus einem Topf mit Wasser herauskommt, lange bevor das Wasser kocht. In diesem Experiment werden die Schüler sehen, dass selbst unsere Fingerspitze genug Hitze erzeugt, um kleine Mengen von Wasser in seine Gasform umzuwandeln. Wir nennen diesen Prozess Verdunstung.

Materialien

  • Eine Tasse mit Wasser
Wasser verdampft vom
Finger

Mit freundlicher Genehmigung
von Andrew Brown

Vorgehensweise

Dieses Experiment wird am besten im Freien oder in der Nähe eines Luftzugs, zum Beispiel am offenen Fenster, durchgeführt.

  1. Tauchen Sie Ihren Finger in Wasser und halten Sie ihn hoch.
     
  2. Was kann man sehen und fühlen?

Was passiert?

Das Wasser verdunstet vom Finger, der dadurch trocknet. Der Finger fühlt sich kalt an, da die Körperwärme auf das Wasser übertragen wird und sich durch Wasserdampf verflüchtigt.

Fragen für Ihre Schüler

Elefant, der sich Wasser auf
den Rücken spritzt

Mit freundlicher Genehmigung
von bratboy76;
Abbildungsquelle: Flickr
  1. In diesem Experiment haben wir Wasser erhitzt, aber was passiert, wenn wir Festkörper erhitzen? Die Schüler sollen sich vorstellen, was beim Erwärmen von Butter passiert.

    Antwort: Festkörper schmelzen wenn man sie erhitzt.
     

  2. Wie könnte man das Experiment verbessern?

    Antwort: Könnte sich der Finger nicht nur aufgrund der Verdunstung, sondern auch wegen des kalten Wassers kalt anfühlen? Um dies zu testen, könnte man körperwarmes Wasser (37°C) verwenden. Die Schüler sollten dasselbe Ergebnis erhalten.
     

  3. Wenn die Schüler das Gelernte aus den Experimenten anwenden, können sie dann erklären, warum sich Elefanten manchmal Wasser auf den Rücken spritzen?

    Antwort: Elefanten tun dies, um sich abzukühlen. Sie nutzen die Kühlkraft der Verdunstung.

4) Gas wird flüssig: Kondensation in einer Tüte

Die Schüler haben gesehen, dass die Erhitzung einer Flüssigkeit diese in ihren gasförmigen Zustand umwandeln kann (Verdunstung). Dies ist ein umkehrbarer Prozess: Kühlt man ein Gas genügend ab, wird es flüssig. Diesen Prozess nennt man Kondensation.

Materialien

  • Eine transparente Plastiktüte
  • Ein elastisches Band
  • Ein kleines Tuch
  • Wasser
Kondensation in einer
Plastiktüte

Mit freundlicher Genehmigung
von Andrew Brown

Vorgehensweise

  1. Durchnässen Sie das Tuch unter einem Wasserhahn und wringen Sie es aus, um überflüssiges Wasser zu entfernen.
     
  2. Legen Sie das Tuch in die Plastiktüte. Lassen Sie etwas Luft in die Tüte und verschließen Sie diese.
     
  3. Legen Sie die Tüte an einen warmen Ort, zum Beispiel auf einen Heizkörper oder in die Sonne und warten Sie eine Stunde. Was kann man beobachten?

Was passiert?

Wassertropfen bilden sich an der Innenseite der Tüte.

Sable Island, vor der Küste
von Nova Scotia, Kanada, ist
als der ‚Friedhof des
Atlantiks‘ bekannt und ist 36
km lang. Warme Luft des
Golfstroms wird durch die
Luft des Arktischen Ozeans
abgekühlt, was häufige und
dichte Nebel entstehen lässt.
Deshalb ist diese Insel ein
gefährlicher Ort für Schiffe:
mindestens 350 sind hier
untergegangen

Mit freundlicher Genehmigung
von archer10 (Dennis) OFF;
Abbildungsquelle: Flickr

Warum? Wasser verdunstet vom nassen Tuch, so dass die Luft in der Tüte viel Wasserdampf enthält. Die Innenfläche der Tüte ist kalt, somit wird der Wasserdampf zurück in flüssiges Wasser umgewandelt.

Fragen für Ihre Schüler

  1. In diesem Experiment haben wir ein Gas (Wasserdampf) abgekühlt. Was passiert, wenn wir eine Flüssigkeit kühlen? Die Schüler sollen daran denken, wie man Eiswürfel herstellt.

    Antwort: Flüssigkeiten frieren ein und werden fest, wenn man sie kühlt.
     

  2. Wie könnte man das Experiment verändern, damit sich die Wassertropfen schneller bilden?

    Antwort: Wenn man die Oberfläche der Tüte abkühlt, zum Beispiel indem man Eiswürfel neben die Tüte legt, kondensiert das Wasser schneller.

  3. Wie entsteht Nebel: Durch Verdunstung oder Kondensation?

    Antwort: Nebel bildet sich, wenn Wasserdampf abkühlt und in einer Wolke aus Wassertröpfchen in Bodennähe kondensiert (wie eine Wolke, nur tiefer).

Danksagung

Die Anweisungen über die Herstellung eines Thermometers wurden von der California Energy Commissions’s Energy Quest Webseite angepasst. Besuchen Sie die Webseite für dieses und andere Wissenschaftsprojekte.

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Web References

Resources

Author(s)

Erland Andersen ist ein ehemaliger Grundschullehrer aus Dänemark. Er bietet nun Trainingskurse für Naturwissenschaftslehrer anw2.

Erland entwickelte die Versuche in diesem Artikel als Teil eines ‘kleinen Energieführerscheins’w3. Schüler erhalten den Führerschein, indem sie die energiebezogenen Versuche in kleinen Gruppen durchführen. Erland ermutigt die Schüler, ihre Ergebnisse zu erklären und zu hinterfragen und ihr erlerntes Wissen zu nutzen, um Phänomene der realen Welt zu erklären.

Andrew Brown ist ein Molekular- und Zellbiologie Absolvent der Universität Bath, UK. Er arbeitet zur Zeit für Science in School, am European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg, Deutschland.


Review

Die Stärke des Artikels besteht darin, dass er Aufgaben in einer im Ganzen sinnvollen Reihenfolge darstellt. Auch wenn die Aufgaben für viele Lehrer unbekannt sind, helfen die vorgeschlagene Abfolge und Fragen den Lehrern, einige schwierige Konzepte wie zum Beispiel Hitzetransfer, Verdunstung und Kondensation anzugehen. Die Aufgaben helfen den Lehrern auch, die Umkehrbarkeit von einigen dieser Prozesse zu untersuchen. Ein weiterer Vorteil dieses Artikels ist die Eignung und Einfachheit der Experimente, die mit Standard-Schulequipment und einfachen Materialien durchgeführt werden können.


Christiana Nicolaou, Zypern




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CC-BY-NC-SA