Praktikum 6 Experiment zur Wärmeübertragung

Sicherheitshinweise

• Bei Experimenten mit Wärme besteht Verbrennungs- und Verbrühungsgefahr.
• Heiße Gegenstände sollten nicht berührt werden.
• Bei Unsicherheit hinsichtlich der Temperatur eines Objekts sollte diese gemessen werden.
• Sehr kalte Objekte sollten nicht zu lange berührt werden, um Unterkühlung zu vermeiden.

Station 1: Thermische Energie

• Relevante Inhalte der Vorlesung umfassen Temperatur, Wärme, Luft, Wasser, Wolken und Klima.

Experiment 1: Wärmeübertragung und Kühlprozesse

• Ziel ist der Vergleich verschiedener Kühlmechanismen und das Kennenlernen der Verdunstungskälte.
• Verdunstungskälte entsteht, wenn schnelle Moleküle einer Flüssigkeit in die Gasphase übergehen.
• Es gilt herauszufinden, ob die Verdunstungskälte einen größeren oder kleineren Einfluss als die Wärmeübertragung hat.

Durchführung Teil 1

• Eine Thermoskanne wird mit heißem Wasser befüllt, wobei das Wasser einer vorherigen Gruppe genutzt werden kann.
• Die Temperatur des Wassers wird gemessen, der Zeitpunkt notiert und die Thermoskanne verschlossen.
• Nach Abschluss von Teil 2 wird die Temperatur des Wassers in der Thermoskanne erneut gemessen um die Abkühlung pro Minute zu berechnen.

Durchführung Teil 2

• Tassen werden mit kochendem Wasser befüllt und verschiedene Kühlmethoden getestet.
• Über einen Zeitraum von 10 Minuten werden in minütlichen Abständen Temperaturen gemessen und notiert.
• Folgende Methoden werden getestet:
  • Nichts tun (einfach warten)
  • Mit einem Löffel rühren
  • Dampf wegpusten (mit oder ohne Ventilator)
  • Tasse anpusten (mit oder ohne Ventilator)
  • Tasse mit Noppenfolie und Gummiband verschließen
• Nach dem Experiment wird das Wasser aus den Tassen im Ausguss entsorgt.

Auswertung

• Es soll diskutiert werden, welche Abkühlmethode die effizienteste war und warum.
• Verschiedene Kühlprozesse (Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Wärmeströmung) sollen betrachtet werden.
• Die relative Stärke der einzelnen Effekte zur Abkühlung und die Möglichkeit zur guten Isolation sollen betrachtet werden.

Experiment 2: Reale Gase – Kompression und Nebel in der Flasche

• Ziel ist die Beobachtung der Kompression realer Gase und Nebelbildung.

Hintergrund

• Die Ideale Gasgleichung lautet pV = NkBT.
• Im Gegensatz zu idealen Gasen führt bei realen Gasen eine Druckänderung auch zu einer Temperaturänderung.
• Aggregatzustand von Wasser ist stark von der Temperatur abhängig.
• Nebel entsteht, wenn Wasserdampf in wassergesättigter Luft kondensiert, begünstigt durch Kondensationskeime wie Staub.

Durchführung Teil 1

• Die Temperatur der Flasche wird mit einem Infrarotthermometer gemessen, wobei die Laserpunkte auf einen schwarzen Fleck auf der Flasche gerichtet werden.
• Die Flasche wird aufrecht auf den Tisch gestellt und luftdicht an eine Fahrradpumpe angeschlossen.
• Eine Person hält die Flasche und den Stopfen fest, während eine andere Person 10-mal Luft in die Flasche pumpt.
• Die Temperatur der Flasche wird erneut gemessen, der Stopfen schnell gelöst und die Temperatur nochmals gemessen.

Durchführung Teil 2

• Ein Streichholz wird angezündet, um Rauch in der Flasche zu erzeugen, nachdem diese mit Wasser befeuchtet wurde.
• Das Experiment aus Teil 1 wird wiederholt, wobei die Temperaturmessung vor der Kompression entfällt.
• Nach Ablassen des Drucks kann der Vorgang wiederholt werden.
• Die Flasche wird nach dem Experiment mit Leitungswasser gefüllt und im Waschbecken ausgekippt.

Auswertung

• Es wird diskutiert, wie der Effekt genutzt werden kann, um einen Kühlschrank zu bauen.
• Die Entstehung und das Verschwinden des Nebels bei Druckänderung werden erklärt.

Experiment 3: Wärmeempfinden

• Ziel ist die Untersuchung desTemperaturempfindens der Haut bei unterschiedlichen Bedingungen.

Hintergrund

• Wärme wird durch Rezeptoren in der Haut empfunden, die besonders stark auf Temperaturänderungen reagieren.

Durchführung

• Drei Becken werden mit kaltem, lauwarmem und warmem Wasser vorbereitet.
• Beide Hände werden gleichzeitig für kurze Zeit in das kalte bzw. warme Wasserbad gehalten.
• Anschließend werden beide Hände in das lauwarme Wasserbad gegeben.
• Das Temperaturempfinden wird direkt danach und nach etwa 30 Sekunden bestimmt.
• Der Versuch wird von allen Teilnehmenden durchgeführt.
• Das Wasser kann für die nächste Gruppe verwendet werden.

Auswertung

• Es werden Fragen zum Temperaturempfinden, individuellen Unterschieden und der Rolle von Wärme- und Kälterezeptoren diskutiert.
• Es wird erörtert, welche Faktoren das Temperaturempfinden beeinflussen und ob die Wahrnehmung beeinflussbar ist.

Station 2: Tiere im Winter

• Relevante Inhalte der Vorlesung umfassen Temperatur, Wärme und die Anpassung von Tieren an kalte Witterung.
• Jede Gruppe führt entweder Experiment 4a oder 4b durch.

Experiment 4a: Die Laborpinguine

• Ziel ist die Untersuchung der Wärmeisolierung anhand eines Modells der Kaiserpinguin-Kolonie.

Material

• 19 Reagenzgläser (160 mm x 16 mm)
• 2 Gummibänder
• 1 Plastikblumentopf mit durchlöchertem Boden und Mantelfläche (⌀ unten 8 cm)
• 3 Thermometer
• 1 Wasserkocher
• 1 Becherglas 800 mL
• 1 tiefer Teller
• 1 Trichter
• Parafilm
• Schere

Hintergrund

• Kaiserpinguine leben in der Antarktis und sind extremen Wetterbedingungen ausgesetzt.
• Sie brüten während des antarktischen Winters in großen Kolonien.

Durchführung

• Heißes Wasser aus dem Wasserkocher wird mit Leitungswasser gemischt, um etwa 500 mL Wasser mit ca. 50 °C zu erhalten.
• Die Reagenzgläser werden in den Blumentopf gestellt und die Gummibänder fixieren die Gläser.
• Der Blumentopf mit Reagenzgläsern wird in den tiefen Teller gestellt.
• Die Reagenzgläser werden zügig mit Wasser befüllt, mit Parafilm überzogen und drei davon mit Thermometern versehen.
• Die Temperatur wird alle 5 Minuten über einen Zeitraum von 20 Minuten abgelesen und in einem XY-Graphen aufgetragen.
• Während der Wartezeit besteht die Möglichkeit sich auf weitere Experiment vorzubereiten.
• Parafilm wird im Restmüll und das Wasser aus den Reagenzgläsern im Ausguss entsorgt.

Auswertung

• Anhand des XY-Graphen wird diskutiert, wie wichtig das Bilden von Kolonien für das Überleben der Kaiserpinguine ist.
• Das Verhalten der Pinguine und Möglichkeiten zum Überleben im Winter werden betrachtet.

Experiment 4b: Die Laborfüchse

• Ziel ist die Untersuchung des Wärmehaushalts von Tieren unter Berücksichtigung des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses.

Material

• 600 g Knete
• 2 Thermometer
• 1 elektronische Waage (1 g)
• 1 Plastikform (14 cm x 7 cm x 2,5 cm)
• 1 Küchenmesser mit flacher, breiter, glatter Klinge
• 1 Styroporbox, gefüllt mit Eis/Wasser, mit Drahtgestell
• Aluminiumfolie

Hintergrund

• Tiere setzen auf Winterschlaf oder nutzen ein dickes Fell und das Einrollen, schützen sich vor der Kälte.

Durchführung

• Die Styroporbox wird zur Hälfte mit Eis gefüllt und mit Wasser aufgefüllt, sodass ein Rand von etwa 5 cm bleibt.
• Die Knete wird in die Plastikform gedrückt und überschüssige Reste werden entfernt, das Gewicht wird notiert.
• Eine gleichschwere Menge Knete wird zu einer Kugel geformt.
• Kugel und Platte werden jeweils mit Alufolie umwickelt und die Folie wird zur Seite gelegt, um deren Zuordnung zu notieren.
• Je ein Thermometer wird in die Mitte der Kugel und der Platte gesteckt, die Temperaturskala sollte mindesten -5°C ablesbar sein.
• Kugel und Platte werden gleichzeitig in das Eiswasser gestellt und dieTemperatur alle 2 Minuten (20 Minuten lang) abgelesen.
• Die Alufolie der Kugel und der Platte wird gewogen, um das Oberflächen-Volumenverhältnis zu bestimmen.
• Der Quotient zwischen Folien- und Knetmassegewicht wird verglichen.
• Das Wasser wird im Ausguss entsorgt und die Knete zur Wiederverwendung aufbewahrt.

Auswertung

• Anhand des XY-Graphen wird diskutiert, wie das Oberflächen-Volumenverhältnis den Wärmeaustausch beeinflusst.
• Die Bergmannsche Regel und Anpassungen von Tieren an kalte Klimazonen werden besprochen.

Bonus-Experiment

• Ziel ist die Untersuchung von Schmelzpunkterniedrigung und Phasenübergängen.

Hintergrund

• Salz wird im Winter auf Straßen gestreut, um den Schmelzpunkt des Eises zu senken.
• Die Herabsetzung des Schmelzpunktes ist eine kolligative Eigenschaft
• Beim Übergang von fest zu flüssig benötigt Wasser Energie, was zu einer Abkühlung führt.

Durchführung

• Eis wird in eine Schüssel gegeben und mit wenig Wasser versetzt, das Gemisch umgerührt und die Temperatur gemessen.
• Anschließend wird Salz hinzugefügt und die Temperatur erneut gemessen.
• Die Eis-Salz-Mischung wird im Ausguss entsorgt und die Schüssel gespült.

Auswertung

• Nutzung des Effekts für die nächste Sommerparty wird diskutiert.

Station 3: Aktivierungsenergie und chemische Energie

• Relevante Inhalte der Vorlesung sind Aktivierungsenergie, Katalyse und Energien beim Lösen und Kristallisieren von Salzen.

Experiment 5a: Zerfall von Wasserstoffperoxid – Katalysator Braunstein

• Ziel ist die Untersuchung des Zerfalls von Wasserstoffperoxid mithilfe eines Katalysators.

Material

• Wasserstoffperoxidlösung (5%), ätzend und brandfördernd
• 25 mL Erlenmeyerkolben
• Braunstein-Suspension in Tropfflasche
• Holzstab (Glimmspan)
• Pasteurpipette
• Bunsenbrenner

Hintergrund

• Wasserstoffperoxid (H2O2) kann disproportioniert, zerfällt jedoch kaum bei Raumtemperatur.
• Braunstein (MnO2) katalysiert die Reaktion, sodass der Zerfall bei Raumtemperatur stattfindet.

Durchführung

• Wasserstoffperoxid wird in einen Erlenmeyerkolben pipettiert.
• Ein glühender Holzstab wird in den Kolben gehalten (Glimmspanprobe).
• Drei Tropfen Braunstein-Suspension werden zugetropft und der Kolben geschwenkt.
• Die Glimmspanprobe wird wiederholt.
• Die Lösung wird im Ausguss entsorgt und der Kolben gespült.

Auswertung

• Die Wirkungsweise von Braunstein und die Reaktionsgleichung werden im Zusammenhang mit der Glimmspanprobe erklärt.

Experiment 5b: Zerfall von Wasserstoffperoxid – enzymatische Katalyse (Katalase)

• Ziel ist die Untersuchung des enzymatischen Abbaus von Wasserstoffperoxid mit Katalase.

Material

• Wasserstoffperoxidlösung (5%), ätzend und brandfördernd
• Kartoffel
• Messer
• Schneidebrett
• Porzellanschale
• Pasteurpipette
• Münze
• Tiegelzange
• Bunsenbrenner

Hintergrund

• Lebewesen nutzen Sauerstoff, wobei als Nebenprodukt Wasserstoffperoxid (H2O2) entsteht.
• Wasserstoffperoxid ist schädlich und wird durch Enzyme, sogenannte Katalasen, abgebaut.

Durchführung

• Zwei Kartoffelscheiben werden geschnitten, eine davon auf eine Porzellanschale gelegt.
• Ein Tropfen Wasserstoffperoxid wird auf die Schnittfläche pipettiert und die Reaktion beobachtet.
• Die zweite Kartoffelscheibe wird ebenfalls auf eine Schale gelegt und eine erhitzte Münze aufgelegt.
• Nach dem Entfernen der Münze wird ein Tropfen Wasserstoffperoxid auf die Stelle getropft und die Reaktion beobachtet.
• Die benutzten Kartoffelstücke werden im Restmüll entsorgt.

Auswertung

• Anhand der Reaktionsgleichung werden die Beobachtungen erläutert.
• Die Auswirkungen der Hitze auf die Kartoffel werden diskutiert und mit den Folgen von hohem Fieber verglichen.

Experiment 6: Lösungsvorgang von Salzen in Wasser

• Ziel des Versuchs ist die Untersuchung der Temperaturveränderung beim Lösen von Salzen in Wasser.

Material

• Ammoniumnitrat (NH4NO3), brandfördernd und augenreizend
• Natriumchlorid (NaCl)
• Calciumchlorid (CaCl2), augenreizend
• Spritzflasche mit Leitungswasser
• 0,5 mL Messlöffel
• 1,0 mL Messlöffel
• Trichter
• Thermometer
• Reagenzgläser
• Gummistopfen
• Messzylinder

Durchführung

• Je ein Messlöffel eines Salzes wird mit Hilfe eines Trichters in ein Reagenzglas gegeben.
• Verwendet wird der kleine Messlöffel (0,5 mL) für Ammoniumnitrat und Natriumchlorid, der große Messlöffel (1,0 mL) für Calciumchlorid.
• Die Reagenzgläser werden jeweils mit 5 mL Leitungswasser befüllt.
• Ein weiteres Reagenzglas mit 5 mL Leitungswasser ohne Salz dient als Referenz.
• Alle Reagenzgläser werden mit einem Stopfen verschlossen und geschüttelt, um die Salze zu lösen und die Referenz auch geschüttelt.
• Es wird in jedem Reagenzglas die Temperatur gemessen und notiert werden.
• Die Lösungen werden mit Wasser im Ausguss entsorgt, Stopfen und Reagenzgläser werden im Spülbecken gespült.

Auswertung

• Temperaturänderungen der Lösungen im Vergleich zur Referenz werden ermittelt.
• Die Lösungsvorgänge werden als exotherm, isotherm oder endotherm klassifiziert.

Experiment 7: Wärmekissen und "heißer Eisberg"

• Ziel ist die Untersuchung von Kristallisation von Natriumacetat und der damit verbundenen Wärmeentwicklung.

Material

• Natriumacetat-Trihydrat NaCH3COO · 3 H2O
• Vollentsalztes (VE) Wasser in Spritzflasche
• 50 mL Erlenmeyerkolben
• Porzellanschale
• Thermometer
• Dunkle Metallplatte
• Becherglas für Natriumacetatabfälle
• Waage
• Trichter

Experiment 7a: "Wärmekissen"

• 12 g Natriumacetat-Trihydrat werden mit 2 mL VE-Wasser im Erlenmeyerkolben verrührt.
• Das Gemisch wird vorsichtig über der Brennerflamme erwärmt, bis sich das Salz löst.
• Der heisse Kolben wird zum Abkühlen auf die Metallfläche gestellt, dabei erschüttern des Kolben vermeiden.
• Wenn die Lösung Zimmertemperatur erreicht hat, wird das Thermometer in den Kolben gestellt, die Temperatur gemessen und notiert.

Auswertung

• Die Kristallisation von Natriumacetat wird hinsichtlich Exothermie, Isothermie oder Endothermie beurteilt.
• Die günstige Kristallstruktur von Natriumacetat wird erklärt.

Experiment 7b: "Heißer Eisberg"

• Der Erlenmeyerkolben mit Natriumacetat aus Versuch 7a wird erneut erwärmt, bis das Salz ganz geschmolzen ist.
• In eine Porzellanschale werden ein paar kleine Kristalle von Natriumacetat-Trihydrat gegeben.
• Die abgekühlte Lösung giesst die Porzellanschale.
• Kristallisation der Lösung sollte einen "Eisberg" formen.
• Das Natriumacetat in ein Becherglas und der Kolben wird gespült, Porzellanschale wird nicht gespült.