Experimente zur Wärmeleitung

Physikexperimente zur Wärmeleitung

In diesem Text werden verschiedene Experimente zum Thema Wärmeleitung auf eine für Kinder anschauliche Weise erklärt. Dabei wird auf die Erwärmung und Abkühlung von Gegenständen sowie auf die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien eingegangen.

Wärmeleitung – Wiederholung

Die Wärmeleitung ist eine Form der Wärmeübertragung. Der Übergang von thermischer Energie zwischen zwei Gegenständen, die einander berühren, wird Wärmeleitung genannt. Dabei findet die Wärmeübertragung immer vom Bereich der höheren Temperatur zum Bereich der niedrigeren Temperatur statt. Die Wärmeleitfähigkeit ist je nach Stoff unterschiedlich. Es existieren gute Wärmeleiter und schlechte Wärmeleiter. Eine genaue Erklärung findest du im Video über die Wärmeleitung.

Experiment 1 – Erwärmung von Körpern

Schauen wir uns im ersten Versuch die Erwärmung von Gegenständen an. Welche Möglichkeiten fallen dir ein, eine kleine Kugel zu erwärmen?
Betrachten wir hierzu drei verschiedene Möglichkeiten.

Möglichkeit 1
Wir können heißes Wasser in ein Becherglas gießen und die Kugel hineinlegen. Nach ein paar Minuten Wartezeit können wir die Kugel wieder herausnehmen. Sie hat sich erwärmt. Die Erwärmung der Kugel ist durch heißes Wasser erfolgt.
Da das Wasser wärmer ist als die Kugel und beide Materialien sich berühren, erfolgt eine Wärmeleitung vom warmen Wasser zur kälteren Kugel. Somit erwärmt sich die Kugel.

Möglichkeit 2
Wir können die Kugel ebenso über eine andere Oberfläche reiben. Nach kurzer Zeit ist die Kugel warm. Die Erwärmung hat in diesem Fall durch Reibung stattgefunden.
Durch die Reibung entsteht thermische Energie. Die Reibungsfläche erwärmt sich. Durch Wärmeleitung wird die Wärme in den Bereich rund um die Reibungsfläche der Kugel übertragen.

Möglichkeit 3
Wir können die Kugel ebenso in die Sonne legen. Nach einiger Zeit ist die Kugel ebenfalls erwärmt. Die Erwärmung erfolgt in diesem Fall durch die Sonne.

Experiment 2 – Abkühlung von Flüssigkeiten

Im zweiten Experiment schauen wir uns die Abkühlung an. Dafür betrachten wir zwei verschieden große Bechergläser. Im großen Becherglas befindet sich Wasser mit einer Temperatur von $17\,^\circ\pu{C}$. Im kleinen Becherglas befindet sich Wasser mit einer Temperatur von $53\,^\circ\pu{C}$. Dieses wärmere Wasser wollen wir abkühlen.
Dafür stellen wir das kleinere Glas in das größere Glas hinein. So kühlt sich das Wasser im kleineren Glas ab, da Wärmeleitung zwischen den beiden Gläsern stattfindet. Da dies immer vom Warmen zum Kalten geht, gibt das warme Wasser thermische Energie an das kältere Wasser ab und kühlt sich somit ab. Nach vier Minuten hat sich das Wasser um $13\,^\circ\pu{C}$ abgekühlt. Nun hat es eine Temperatur von $40\,^\circ\pu{C}$.

Wiederholen wir das gleiche Experiment mit anderen Temperaturen. Das kalte Wasser besitzt wieder $17\,^\circ\pu{C}$, das warme Wasser hat jedoch nur eine Temperatur von $38\,^\circ\pu{C}$. Der Temperaturunterschied zwischen dem kalten und dem warmen Wasser ist also geringer als beim Versuch zuvor. Die Wassermengen sind die gleichen wie im ersten Teilversuch. Auch jetzt wollen wir das warme Wasser um $13\,^\circ\pu{C}$ abkühlen, sodass es eine Temperatur von $25\,^\circ\pu{C}$ besitzt.

Frage: Benötigen wir dafür weniger, gleich viel oder mehr Zeit als beim ersten Teilversuch?

Nach sechs Minuten hat das Wasser eine Temperatur von $25\,^\circ\pu{C}$ erreicht. Wir haben also mehr Zeit benötigt. Wir schließen daraus:

• Umso größer der Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen, sich berührenden Bereichen ist, desto schneller kühlt sich der wärmere Bereich durch Wärmeleitung ab.

Experiment 3 – Wärmeleitfähigkeit

In dem dritten Experiment untersuchen wir die Wärmeleitfähigkeit von Metall, Holz und Wasser genauer. Beginnen wir mit dem Metall.

Metall
Hierfür betrachten wir eine Tasse mit heißem Wasser. Die Tasse steht auf einem Stövchen mit einer Kerze darunter. So kühlt das Wasser während des Versuchs nicht aus. Legen wir nun einen Löffel aus Metall, der Raumtemperatur besitzt, in die Tasse und schauen, was passiert.

Nach kurzer Zeit ist auch das Ende des Löffels erwärmt, das sich nicht im Wasser befindet. Daraus schließen wir:

• Metalle sind gute Wärmeleiter.

Holz
Wiederholen wir nun das gleiche Experiment noch einmal. Nun nehmen wir jedoch keinen Metalllöffel, sondern einen Löffel aus Holz. Was wird passieren?
Auch nach längerer Wartezeit wird der Holzgriff des Löffels nicht warm. Wir schließen daraus:

• Holz ist ein schlechter Wärmeleiter.

Wasser
Um die Frage zu beantworten, ob Wasser ein guter oder schlechter Wärmeleiter ist, führen wir einen weiteren Versuch durch. Dafür legen wir in den unteren Teil eines Reagenzglases ein Eisstück, das wir mithilfe eines Drahts am Aufsteigen hindern. Den Rest des Reagenzglases befüllen wir mit Wasser. Den oberen Teil des Reagenzglases halten wir nun über eine Flamme.

Der obere Teil des Wassers über der Flamme erwärmt sich. Das wird durch kleine aufsteigende Luftbläschen sichtbar. Das Eis im unteren Teil des Glases schmilzt jedoch nicht. Dort ist das Wasser demnach nicht erwärmt worden. Wir schließen daraus:

• Wasser ist ein schlechter Wärmeleiter.

Physikexperimente zur Wärmeleitung – Zusammenfassung

In den durchgeführten Experimenten wurden verschiedene Dinge festgestellt:

• Durch Wärmeleitung können Gegenstände auf verschiedene Weise erwärmt werden.
• Umso größer der Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Bereichen ist, umso schneller kühlt sich der wärmere Bereich durch Wärmeleitung ab.
• Metalle sind gute Wärmeleiter, während Holz und Wasser schlechte Wärmeleiter sind.

Zusätzlich zum Text und dem Video findest du hier auf der Seite noch Übungen und Arbeitsblätter zu den durchgeführten Versuchen zum Thema Wärmeleitung.