Physikalisches schulversuchspraktikum

Lernziele · Aggregatszustände, und das manchmal einer "übersprungen" wird

· Wärme = Energie
· Verschiedene Energieformen die in Wärme umgewandelt werden können
(Licht, Strom) (keine vollständige Auflistung)
· Strom transportiert Energie, die dazu verwendet werden kann Wasser zu erwärmen
· Weshalb wird im Winter Salz auf die Straßen gestreut
· Destillation als physikalisches Trennungsverfahren
· Die Siedetemperatur von Wasser und wie hängt diese vom Druck ab
· Volumsänderung von Gasen bei Temperaturänderung
· Was sind Geysire und wie lassen sie sich erklären


Voraussetzung
· Einfache Rechenregeln für das Beispiel der spezifischen Wärmekapazität des Wassers

Anmerkung
Die Versuche sind in keiner Weise inhaltlich sortiert; d.h. jeder Versuch ist als Eigenständiges, unabhängiges Experiment zu betrachten.
Destillation
Man benötigt:
· 1 Bunsenbrenner

· 1 Wärmeschutznetz
· 1 Erlenmeyerkolben

· 1 Reagenzglas
· 1 Becherglas

· 1 Gummistopfen mit Bohrung
· 2 Rohr Gläser

· 1 PVC Schlauch
· Stativmaterial

· Färbepulver

· Zündhölzer

· Wasser
· Siedesteinchen


Durchführung:
Der Erlenmeyerkolben wird mit etwas gefärbten Wasser und 2,3 Siedesteinchen, welche einen Siedeverzug verhindern sollen, gefüllt. Danach verschließt man diesen mit dem Gummistopfen, in dessen Bohrung bereits ein Glasrohr gesteckt wurde. Mit Hilfe eines PVC Schlauches und eines weiteren Rohres gelingt es die Distanz zwischen Erlenmeyerkolben und dem Becherglas, dass zur Kühlung benötigt wird, zu überbrücken. Das Rohr das am Ende des Gummischlauches befestigt ist, wird in einen Reagenzglas gegeben, welches wiederum in das mit kaltem Wasser gefüllte Becherglas getaucht wird.
Nun entzünden wir den Brenner und bringen das gefärbte Wasser im Erlenmeyerkolben zum Sieden. Der Wasserdampf steigt von der Wasseroberfläche auf und strömt durch das Rohrsystem bis in das Reagenzglas. Dieses wird vom umliegenden Wasser gut gekühlt und so kondensiert der Wasserdampf darin. Ja nach Hitzeleistung des Bunsenbrenners können wir schon nach wenigen Minuten deutlich sehen, dass sich das Reagenzglas langsam mit farblosem Wasser füllt.
Der Farbstoff muss also beim Verdampfen des Wassers im Erlenmeyerkolben zurückgeblieben sein.
Die Destillation ist also ein physikalisches Verfahren um Stoffe mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zu trennen. Dasselbe Prinzip wird auch in der Herstellung von Schnäpsen verwendet. Man macht sich dort den Umstand zunutze, dass Alkohol bereits bei 80° Grad, Wasser allerdings erst bei 100° Grad Celsius siedet.
Aber die Destillation wird nicht nur zur Alkoholgewinnung verwendet. Auch in jeder Raffinerie befinden sich mehrere riesige Destillationsanlagen die sich zwar im Aufbau etwas von unserer Anlage unterscheiden, aber im Grunde nach demselben Prinzip arbeiten. So können aus Rohöl, die bekannten Produkte wie Benzin, Diesel, Heizöl gewonnen werden.


Der Geysir
Man benötigt:
Dieser Versuch baut auf dem Versuch der Destillation auf. Zusätzlich wir noch gebraucht:
· U-Rohr


Durchführung:
Der Versuch wird ganz ähnlich dem der Destillation aufgebaut. Allerdings wird ans Ende des PVC Schlauches kein normales Glas Rohr aufgesteckt, sondern, ein zu einem U gebogenes Rohr verwendet. Ein Teil davon wird in das schon zur Destillation vorbereitete, mit Wasser gefüllte Becher Glas getaucht. Das Ende allerdings befindet sich oberhalb der Wasseroberfläche.
Nun wird der Brenner entzündet und wir beobachten, wie langsam Wasserdampf durch das Rohr strömt. In dem Teil des U Rohres, der ins Wasser getaucht ist, kondensiert der Dampf zu Wasser, und "verstopft" langsam das Rohr. Da Wasserdampf ständig im Erlenmeyerkolben produziert wird, baut sich in dem System Druck auf, bis dieser ausreicht, das im U Rohr gesammelte Wasser mit einem Stoss hinauszukatapultieren. Dann beginnt der Prozess von neuem.
Geysire kommen in jungvulkanischen Gebieten vor. Voraussetzung für die Entstehung von Geysiren sind mit der Erdoberfläche durch ein Röhrensystem verbundene Hohlräume im Gestein, in denen sich Grundwasser sammelt, das durch Wärme vulkanischen Ursprungs erhitzt wird. Wird das Wasser bis zum Siedepunkt erhitzt, so sammelt sich Wasserdampf an, der einen Überdruck aufbaut. Wenn sich dieser Überdruck durch das Röhrensystem entlädt, reißt er das heiße Wasser mit an die Oberfläche. Durch nachströmendes Grundwasser kühlt sich der Geysir wieder ab, und der Zyklus beginnt von neuem.
Einer der bekanntesten Geysire ist der Old Faithful im Yellowstone Nationalpark in den USA. Er treibt bei jedem Ausbruch etwa 38 000 bis 45 000 Liter aus und bricht in Zeitabständen zwischen 37 und 93 Minuten aus, seine Säule steigt bis zu einer Höhe zwischen 38 und 52 Metern auf. Der Geysir gibt mit dem Ausstoß von drei bis 7,6 Meter hohen Fontänen Warnsignale seiner bevorstehenden Aktivität. Zu den größten Geysiren gehören ferner jene auf Island und der russischen Halbinsel Kamtschatka sowie auf Neuseeland.
Wenn man bei demselben Versuch den Wasserspiegel im kühlenden Becherglas soweit erhöht, dass sich die Dampfaustrittsöffnung unter Wasser befindet, dann beginnt der Wasserstand im U Rohr hin und her zu pendeln. Das liegt daran, das sich wiederum im System Druck aufbaut, allerdings kühlt der Wasserdampf, der aus dem Rohr austritt schlagartig ab, und erreicht die Wasseroberfläche nicht. So funktionieren im Prinzip heiße Quellen die sich am Meeresboden befinden.


Volumsänderung von Gasen
Man benötigt:

· Erlenmeyerkolben
· Luftballon

· Wasser
· Bunsenbrenner

· Wärmeschutznetz
· Dreibein

· Zündhölzer


Durchführung:
Man erhitzt das Wasser im Erlenmeyerkolben, bis dieses kocht. Dann versucht man den Luftballon, ohne sich dabei zu verbrennen, über die Öffnung zu spannen.
Jetzt kann man entweder zuwarten, bis der Wasserdampf im Kolben von selbst abkühlt, oder man beschleunigt den Prozess indem man den Kolben unter fließendem kaltem Wasser kühlt.
Der Wasserdampf beginnt zu kondensieren, und es entsteht ein Unterdruck, der den Luftballon ins Innere zieht.

Kältemischung
Man benötigt:
· Becherglas

· Eis
· Kochsalz

· Thermometer
· Reagenzglas

· Wasser
· Alufolie

· Isolierende Unterlage


Durchführung:
Man zerstößt das Eis in einem trockenen Tuch mit einem harten Gegenstand zu "Schnee" und gibt es in das Becherglas. Dann fügt man zu 3 Teilen Eis einen Teil Kochsalz hinzu und rührt kräftigt um. Nun gibt man ein mit etwas Wasser gefülltes Reagenzglas, und ein Thermometer in das Eis Salz Gemisch und lässt dieses einige Minuten stehen. Außerdem kann das Becherglas noch mir einem Stück Alufolie umwickelt werden, um eine besser Wärmeisolation zu erreichen.
Wenn man das Thermometer aus dem Gemisch gibt, um die Temperatur ablesen zu können, wird man feststellen, dass diese unter - 15° Celsius liegt. Das Wasser im Reagenzglas ist zu Eis gefroren.
Das Eis schmilzt unter dem Einfluss des Salzes, und entzieht so dem System Wärme. Diese Wärmemenge ist unter dem Begriff Schmelzwärme bekannt. Aber trotz dieser tiefen Temperaturen schmilzt das Eis. Dies ist der Grund warum es im Winter auf Österreichs Straßen dazu verwendet wird um Glatteis zu vermeiden.



Nach dem Versuch kann man an der Außenseite des Gefäßes, die man mit Alufolie umwickelt hat, eine dünne Eisschicht beobachten. Diese stammt von der im Raum herrschenden Luftfeuchtigkeit, die an der kalten Gefäßwand gefriert.
Dieser Effekt tritt auch in der Natur auf und wird "Reif" genannt.


Resublimation
Man benötigt:

· Schwefelpulver
· Reagenzglas

· Reagenzglashalter
· Bunsenbrenner

· Glasplatte

· Zündhölzer


Durchführung:

Man gibt mit einem Spatel (aushilfsweise kann auch ein Löffelstiel verwendet werden) einige cm hoch Schwefelpulver und erhitzt dieses. Der Schwefel wird zuerst honiggelb und dünnflüssig, dann dunkelbraun und zähflüssig und dann wieder dünnflüssig wobei er sich dann rot färbt. Der Siedepunkt von Schwefel liegt bei ca. 444° C. Deshalb sollte man bei diesem Versuch auch für eine gute Entlüftung sorgen. Nun gießt man die heißen Schwefeldämpfe vorsichtig auf die zuvor vorbereitet Glasplatte und achtet dabei darauf, dass nichts von der Schmelze heraustropft. Auf der Glasplatte schlägt sich ein gelber Belag nieder. Schwefeldämpfe durchlaufen beim abkühlen nicht alle Aggregatszustände sondern "überspringen" den flüssigen Zustand und werden sofort fest. Diesen Vorgang nennt man resublimieren.
Natürlich gibt es auch das Gegenteil, Sublimation. Trockeneis oder Iod z.B. geht bei Temperaturerhöhung von fest sofort in den gasförmigen Aggregatszustand über.


Wärme durch Licht
Man benötigt:

· Overhead Projektor
· 1 Blatt Papier

· 1 schwarzen Stift


Durchführung:
Man nimmt das Blatt Papier zur Hand und malt in die Mitte von diesem einen schwarzen Fleck mit ca. 3,4 cm Durchmesser. Dann wird der Overhead Projektor eingeschaltet und das Stück Papier mit dem schwarzen Fleck Richtung Lampe in den Brennpunkt gehalten. Nach kurzer Zeit kommt es zu einer starken Rauchentwicklung. Nimmt man jetzt das Papier heraus kann man ein großes Brandloch im Papier erkennen.