Physik – Wärmelehre – Modellhaus

Modellhaus

Aufbauvideo (ohne Ton)

Versuch zur Gleichgewichtstemperatur (ohne Ton)

Versuch zum Energiebedarf beim Halten einer Temperatur (ohne Ton)

Übungen

Übung 1

Übung 2

Für Lehrkräfte

Unterrichtsthema	Energiesparen beim Heizen, Fließgleichgewichte, Treibhauseffekt
Klassenstufen	9 bis 10
Wer experimentiert?	Lehrkräfte zur Demonstration
Ziele und Kompetenzen	Die Schülerinnen und Schüler können: am Beispiel eines Modellhauses untersuchen, welchen Einfluss eine Außenwanddämmung auf die maximal erreichbare Temperatur hat am Beispiel eines Modellhauses untersuchen, welchen Einfluss eine Außenwanddämmung auf die zugeführte Energiemenge zum Halten einer Temperatur hat am Beispiel des Modellversuchs beschreiben, wie sich eine Veränderung des Versuchsaufbaus auf ein Fließgleichgewicht auswirkt und welche Analogien es zum Treibhauseffekt gibt

Vorausgesetzte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sind mit den physikalische Größen Temperatur ϑ und thermische Energie \( E_{th} \) (Wärme Q) und deren Formelzeichen und Einheiten vertraut.

Materialliste

für das Modellhaus:

• Umzugs- oder Bücherkarton (im Video: 490 mm x 290 mm x 245 mm)
• Heizmatte mit Thermostat und Temperaturfühler, passend zum Karton
• ca. 0,75 qm Hartschaumplatten aus dem Baumarkt, 2 cm stark
• Klebeband
• Schere
• Messer zum Schneiden der Hartschaumplatten

für den Versuch zur Gleichgewichtstemperatur:

• Leistungsmessgerät
• Go Direct® Temperatursensor (GDX-TMP)
• Raumthermometer
• Tablet

für den Versuch zum Energiebedarf beim Halten einer Temperatur:

• Leistungsmessgerät
• Raumthermometer
• Stoppuhr

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Hinweise zur Vorbereitung

Die Heizmatte sollte idealerweise den Boden des Kartons ausfüllen. Lassen Sie beim Zuschneiden der Hartschaumplatten einen halben Zentimeter Spielraum, so dass die Platten nicht zu straff sitzen.

Wenn eine Thermobox zur Verfügung steht, ist es möglicherweise einfacher, diese als Dämmung zu verwenden. Es müsste dann nur noch einen Karton gefunden werden, der möglichst gut in die Box passt.

Der Karton als Modellhaus wird jeweils zu Versuchsbeginn ohne Dämmung benötigt. Die Dämmung sollte aber schon zugeschnitten sein und bereit liegen. Im Versuch zur Gleichgewichtstemperatur erfolgt der Umbau im laufenden Versuch. Es empfiehlt sich, die verschiedenen Platten zu kennzeichnen.

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Gleichgewichtstemperatur: Der Versuch kann im Unterricht im Hintergrund laufen, Lediglich zu Beginn und während der Umbauphase zum gedämmten „Haus” sind Aktivitäten erforderlich. Das wachsende „Temperatur-Zeit-Diagramm“ kann von Zeit zu Zeit gezeigt werden. Am Ende  dient das fertige Diagramm als Grundlage weiterer Auswertungen. Wenn genügend Versuchsmaterialien vorhanden sind, können auch die beiden Teilversuche parallel laufen.

Energiebedarf beim Heizen: Der Versuch läuft relativ lang und erfordert in dieser Zeit wenig Schüleraktivitäten. Hier ist in den meisten Fällen wohl die Demonstration im Video zu bevorzugen. Falls der Versuch durchgeführt werden soll, wäre auch hier ein paralleler Ablauf beider Teilversuche möglich. Die Schülerinnen und Schüler sollten dann in zwei Gruppen aufgeteilt werden, die jeweils einen Teilversuch beobachten. 

Hinweise zur Auswertung

Gleichgewichtstemperatur: Hier erfolgt die Auswertung anhand des erzeugten Temperatur-Zeit-Diagramms. Die Daten zum Videoversuch können Sie unter Downloads herunterladen. Am Ende des Teilversuchs 1 mit dem ungedämmten Modellhaus wird eine Gleichgewichtstemperatur erreicht. Erst nach dem Hinzufügen des Dämmmaterials steigt die Temperatur bei unveränderter Energiezufuhr weiter, um sich dann auf eine neue, höhere Gleichgewichtstemperatur einzupegeln. Der Versuch kann auch zur Veranschaulichung des Treibhauseffekts eingesetzt werden. Dabei kann die Kartonhülle dem Anteil an Treibhausgasen in vorindustriellen Zeiten zugeordnet werden, der gedämmte Karton einem erhöhten Anteil an Treibhausgasen in der Atmosphäre. Erkennbar wird das Steigen der Temperatur im Karton (der Atmosphäre), bis ein neues Gleichgewicht erreicht wird.

Energiebedarf  beim Heizen: In beiden Teilversuchen werden die Modellhäuser auf eine eingestellte Temperatur gebraucht. Dann wird die Zeit gemessen, während der die Heizmatte heizt. Mithilfe der gleichzeitig gemessenen Leistung kann nach \[\ E\ =\ P\ ⋅\ t\ \] die Energie berechnet werden, die zum Aufrechterhalten der eingestellten Temperatur über jeweils 25 Minuten aufgewendet wird. Dabei wird deutlich, dass im gedämmten Modellhaus wesentlich weniger Energie zum Halten der eingestellten Temperatur benötigt wird:

• Modellhaus, ungedämmt
  Leistung: ca. 21,7 W – 0,7 W Standbyleistung ≈ 21 W 
  Heizphase 1 (ab ca. 5.30 min) ≈ 420 s
  Heizphase 2 (ab ca. 18.00 min) ≈ 390 s
  E = 810 s · 21 W = 17010 Ws ≈ 17 kJ
• Modellhaus, gedämmt
  Heizphase (ab ca. 17.00 min) = 210 s
  E = 210 · 21 W = 4410 Ws ≈ 4 kJ

Downloads

(jeweils editierbare Word- bzw. Exceldateien)

Weiteres

Challenge „Wer baut das beste Energiespar-Modellhaus?“: Im Rahmen eines Projekttages fertigen Schülerinnen und Schüler in kleinen Gruppen ein gedämmtes Modellhaus. Die  Materialen sind frei wählbar und möglichst von den Schülerinnen und Schüler selbst zu besorgen. Die Größe des Modellhauses sollte im Hinblick auf die spätere Vergleichbarkeit einheitlich vorgegeben werden. Für die Auswertung werden die Modellhäuser mit einer Heizmatte erwärmt. Gewonnen hat das Haus mit dem schnellsten Temperaturanstieg bzw. mit der langsamsten Abkühlung. Als Einstimmung in lernschwächeren Gruppen kann das Video der Hilfe, Orientierung und Einstimmung dienen. Für die Modellhäuser können Energieausweise mit den Namen der Erbauer, den gemessenen Werten und eventuell mit einem Foto des Modells erstellt und ausgegeben werden.

Autoren: Dr. Dietmar Karau und Verlagsredaktion