Mus­ter­lö­sung

Un­ter­schied schwarz / re­flek­tie­rend

Hast Du einen Un­ter­schied in den Tem­pe­ra­tu­ren zwi­schen bei­den Be­häl­tern fest­ge­stellt?

Der schwar­ze Be­häl­ter wird we­sent­lich wär­mer als der Ver­spie­gel­te.

Wel­che Kon­se­quenz er­gibt sich dar­aus für das Auto?

Schwar­ze Sitze wer­den hei­ßer als weiße Sitz­be­zü­ge .

Un­ter­su­chun­gen mit iden­ti­schen Autos er­ga­ben, dass es tat­säch­lich einen Un­ter­schied zwi­schen Autos un­ter­schied­li­cher Lack­far­be gibt, aber dass der Ef­fekt durch eine Wär­me­schutz­ver­gla­sung we­sent­lich höher ist auf­grund der gro­ßen Fens­ter­flä­chen. Hast Du eine Idee, wes­halb dies so ist und was eine Wär­me­schutz­ver­gla­sung sein könn­te?

Durch die Fens­ter kommt die Wär­me­strah­lung di­rekt ins Auto. Wär­me­schutz­ver­gla­sung re­flek­tiert IR-Licht und lässt sicht­ba­res Licht durch.

Bei Wohn­ge­bäu­den sind Ja­lou­si­en für den Son­nen­schutz immer außen an­ge­bracht, ob­wohl sie dort durch das Wet­ter (zum Bei­spiel Wind) ge­fähr­det sind. Wes­halb?

Auch re­flek­tie­ren­de Ja­lou­si­en wer­den heiß. Sind sie innen an­ge­bracht, geben sie die Wärme an die Raum­luft ab und es wird hei­ßer im Raum.

 

Deine Frage für das Ple­num:

 

Rei­hen­fol­ge

In wel­cher Rei­hen­fol­ge haben sich die Enden der Stäbe ver­färbt?

Stel­le eine Ver­mu­tung an über das Ma­te­ri­al der Stäbe

Du hast die Zei­ten ge­mes­sen. Wie könn­te man damit eine Kenn­zahl für die Wär­me­leit­fä­hig­keit aus­rech­nen?

Als Maß könn­te man die Länge des Sta­bes durch die ge­mes­se­ne Zeit di­vi­die­ren.

Tech­ni­sche Ver­wen­dung - Gute Wär­me­lei­tung: Nenne zwei tech­ni­sche Bei­spie­le aus Dei­ner Er­fah­rungs­welt, bei denen es auf gute Wär­me­lei­tung an­kommt und die ver­wen­de­ten Ma­te­ria­li­en.

Koch­topf, aus Alu­mi­ni­um, Kühl­kör­per aus­Kup­fer .

Gute Wär­me­iso­la­ti­on: Nenne zwei tech­ni­sche Bei­spie­le aus Dei­ner Er­fah­rungs­welt, bei denen es auf gute Wär­me­iso­la­ti­on an­kommt und die ver­wen­de­ten Ma­te­ria­li­en.

Iso­lie­rung der Haus­wän­de, Sty­ro­por (Luft) Koch­löf­fel, Holz .

 

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Be­ob­ach­tung

Be­schrei­be in kur­zen Wor­ten, was Du be­ob­ach­tet hast

Das Was­ser zir­ku­liert im Rohr.

Hast Du eine Er­klä­rung dafür?

Das heiße Was­ser steigt auf (ge­rin­ge Dich­te), das kalte Was­ser strömt nach.

Was müss­te man tun, damit das Was­ser schnel­ler strömt?

Stär­ker Er­hit­zen und oben stär­ker küh­len, Rohre sonst iso­lie­ren .

An­wen­dung

Die­ses Prin­zip des Wär­me­trans­por­tes wird bei der Warm­was­ser­hei­zung an­ge­wen­det. Wel­che Ver­suchs­ge­gen­stän­de ent­spre­chen wel­chen Hei­zungs­tei­len?

Gas­bren­ner = Bren­ner der Hei­zung, Glas­rohr Rohr der Hei­zung und Heiz­kör­per .

In einem Haus soll eine Gas­ther­me (Warm­was­ser­hei­zung, die das Was­ser mit Gas er­wärmt), ein­ge­baut wer­den. Der Haus­ei­gen­tü­mer ent­schei­det sich aus Kos­ten­grün­den für das Dach­ge­schoss. Was könn­te der Grund sein? (Tipp: Er ge­winnt Wohn­raum)

Er braucht kei­nen Kamin durch das ganze Haus, jedes Stock­werk, bauen. Dafür nutzt er eine stär­ke­re Um­wälz­pum­pe.

Der Golf­strom, eine gi­gan­ti­sche Mee­res­strom, die von der Ka­ri­bik bis nach Nor­we­gen reicht, ba­siert auch auf die­sem Prin­zip. Eine Idee?

In der Ka­ri­bik wird das Was­ser durch die Sonne er­hitzt und strömt an der Ober­flä­che nach Nor­den. Im Nor­den kühlt es ab, sinkt nach unten und strömt in der Tiefe zu­rück. (sehr ver­ein­facht aus­ge­drückt☺) .

 

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Be­ob­ach­tung

Be­schrei­be in kur­zen Wor­ten, was Du be­ob­ach­tet hast

Das Eis ist di­rekt unter dem ko­chen­den Was­ser, oben ca. 100°C, unten ca. 10°C.

Hast Du eine Er­klä­rung dafür?

Was­ser lei­tet die Wärme sehr schlecht. Ohne Ver­mi­schung bleibt die Wärme am Ort.

Warum klappt der Ver­such nicht, wenn die Eis­wür­fel oben sind und das Was­ser von unten er­hitzt wird

Das warme Was­ser steigt nach oben, die Eis­wür­fel schmel­zen, das kalte Was­ser sinkt nach unten ⇒ Ver­mi­schung .

Zu­rück zum Ba­de­see

Wenn das Ober­flä­chen­was­ser trotz Son­nen­schein ab­ge­kühlt ist, hat je­mand rum­ge­rührt! Der Ba­de­meis­ter?

Wind kann eine Ur­sa­che sein, dass das Was­ser durch­mischt wird (im Bag­ger­see auch strö­men­des Grund­was­ser) .

Die meis­ten Tau­cher­an­zü­ge sind so­ge­nann­te Nass­an­zü­ge. In das Neo­pren dringt Was­ser ein und wird dort fest­ge­hal­ten. Warum friert man damit im Was­ser we­sent­lich we­ni­ger?

Das Was­ser kann nicht weg (keine Ver­mi­schung), es lei­tet Wärme sehr schlecht ⇒ der Kör­per bleibt warm.

 

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Be­ob­ach­tung

Be­schrei­be in kur­zen Wor­ten, was Du be­ob­ach­tet hast

Das Licht sam­melt sich im Brenn­punkt des zwei­ten Spie­gels. Es kommt aus Rich­tung des Spie­gels. Mit der hei­ßen Kugel wird es dort auch warm.

Hast Du eine Er­klä­rung dafür?

Die Kugel strahlt Wär­me­strah­lung (In­fra­rot-, IR-Licht) ab. Es ver­hält sich wie „nor­ma­les“ Licht und wird im Brenn­punkt ge­sam­melt.

Im Text steht, dass jeder Kör­per, jeder Ge­gen­stand, Wär­me­strah­lung aus­sen­det. Warum nimmt man für das Ex­pe­ri­ment die Kugel?

Die Kugel kann viel hei­ßer ge­macht wer­den und strahlt des­halb stär­ker ab.

Ohne Hohl­spie­gel: Warum spürt man die Wär­me­strah­lung immer we­ni­ger, je wei­ter man von der Kugel ent­fernt ist?

Die Strah­lung ver­teilt sich im Raum (Kugel). Die En­er­gie­dich­te nimmt ab.

Tech­nik und Über­le­ben

Wär­me­bild­ka­me­ras fan­gen Wär­me­strah­lung auf wie eine nor­ma­le Vi­deo­ka­me­ra sicht­ba­res Licht auf­fängt. Schon ein altes Sprich­wort sagt: „Im Wald da sind die Räuuuber“. Mit der Ka­me­ra fin­det man sie im Win­ter be­son­ders leicht ☺. Warum?

Sie „leuch­ten“ we­sent­lich stär­ker im Ver­gleich zu ihrer kal­ten Um­ge­bung. Sie sind „hel­ler“⇒ star­ker Kon­trast.

Ret­tungs­de­cken haben 2 Sei­ten: eine stark re­flek­tie­ren­de, sil­ber­ne und eine gold­schim­mern­de Seite. Um einen Men­schen vor dem Aus­küh­len zu schüt­zen, packt man ihn in die Folie ein. Wel­che Seite ist innen?

Die sil­ber­ne Seite nach innen ⇒ die Wär­me­strah­lung des Kör­pers wird zu­rück­re­flek­tiert. Der Kör­per bleibt warm (ob­wohl die Folie sehr dünn ist und des­halb in jedem Erste-Hilfe-Kas­ten drin ist).

Es gibt keine „Käl­te­strah­lung“. Trotz­dem hat jeder schon mal die Er­fah­rung ge­macht, dass es, be­son­ders an kal­ten und kla­ren Win­ter­näch­ten, „vom Fens­ter her kalt her­kommt“. Kannst Du das er­klä­ren? (Löst auch das Au­to­schei­ben­ge­frier­the­ma ☺)

Der Kör­per strahlt Wärme ab. Auch die war­men Raum­ge­gen­stän­de strah­len Wärme ab. Ab­ge­ge­be­ne und er­hal­te­ne Strah­lung sind ähn­lich stark. Die Ge­gen­stän­de außen, be­son­ders der Nacht­him­mel, sind kalt und strah­len nur wenig. In diese Rich­tung gibt der Kör­per Wärme ab und es fühlt sich kalt an. (Nacht­him­mel Welt­all Tem­pe­ra­tur -269°C, 4K) .

 

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Be­ob­ach­tung

Be­schrei­be in kur­zen Wor­ten, wel­chen Weg die Wärme der CPU nimmt.

Über die Wär­me­leit­pas­te zur Grund­plat­te, von dort über die Rohre zu den Kup­fer­la­mel­len, von den Kup­fer­la­mel­len an die Luft.

Wel­che ver­schie­de­nen Wär­me­trans­port­ar­ten sind be­tei­ligt?

Wär­me­lei­tung Me­tall-Me­tall, Kon­vek­ti­on Gas-Flüs­sig­keit, Me­tall-Gas, Wär­me­strah­lung .

Der Tem­pe­ra­tur­an­stieg bei 20W soll­te sich nach einer Weile ver­lang­samt haben. Kannst Du das er­klä­ren?

Die La­mel­len sind heiß und strah­len die Wärme ab, auch die Luft zir­ku­liert durch Er­wär­mung und nimmt Wärme mit.

Warum ver­rin­gert sich die Tem­pe­ra­tur, wenn der Lüf­ter läuft?

Die Luft an den La­mel­len wird sehrs chnell durch kalte Luft aus­ge­tauscht. Ob­wohl Luft schlecht Wärme lei­tet, nimmt sie so Wärme mit (kein „Stau“ an der La­mel­le)

Wes­halb hat der Küh­ler oben so viele und große La­mel­len aus Kup­fer?

Der Wär­me­über­gang von Kup­fer nach Luft ist schlecht (Luft ist ein schlech­ter Wär­me­lei­ter) über die große Flä­che wird dies aus­ge­gli­chen.

Tech­nik

Zwi­schen der CPU und dem Küh­ler ist eine dünne Schicht Wär­me­leit­pas­te auf­ge­tra­gen. Man­che Her­stel­ler wer­ben damit, dass die Paste Sil­ber ent­hält. Sie muss mög­lichst dünn, aber ohne Luft­bla­sen auf­ge­bracht wer­den. Warum?

Die Sil­ber-Teil­chen lei­ten die Wärme sehr gut, Luft lei­tet ex­trem schlecht, je dün­ner die Schicht, desto bes­ser die Lei­tung.

Heat­pipes sind hohle Röh­ren, die mit einer Flüs­sig­keit ge­füllt sind. Auf der hei­ßen Seite ver­dampft die Flüs­sig­keit und nimmt da­durch viel Wärme auf. Auf der kal­ten Seite kon­den­siert der Dampf und gibt die Wärme wie­der ab. Die Flüs­sig­keit läuft an den Rohr­wän­den in Ka­pil­la­ren wie­der zu­rück. Da­durch ent­steht ein Kreis­lauf. Die Wär­me­lei­tung von Heat­pipes ist bis zu 1000-mal grö­ßer als von Kup­fer. Was ist die Funk­ti­on der Heat­pipes bei die­sem Küh­ler?

Die Wärme von der klei­nen Kup­fer-Grund­plat­te bei mög­lichst klei­nem Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zu den La­mel­len trans­por­tie­ren.

Wie müss­te ein Küh­ler aus­se­hen, um die Tem­pe­ra­tur der CPU noch wei­ter zu sen­ken (bzw. um noch „hei­ße­re“ Spie­le dar­auf spie­len zu kön­nen ☺)

Mehr La­mel­len, grö­ße­rer Lüf­ter. Was­ser­küh­ler: Wärme erst an Was­ser ab­ge­ben, nach außen trans­por­tie­ren, über sehr gro­ßen Wär­me­tau­scher (mit­Lüf­ter) an die Luft ab­ge­ben .

 

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Eure Fra­gen

Frage 1 ____________________________________

Frage 2 ____________________________________

Frage 3 ____________________________________

Frage 4 ____________________________________

Frage 5 ____________________________________

Frage 6 ____________________________________

Frage 7 ____________________________________

Frage 8 ____________________________________

Frage 9 ____________________________________

Frage 10 ___________________________________

 

 

 

Mus­ter­lö­sung her­un­ter­la­den [pdf][291 KB]