Wenn wir einen heißen Topf auf dem Herd an seinen Metallgriffen anfassen, so verbrennen wir uns manchmal die Finger. Die Wärme von der Herdplatte wird über das Metall übertragen. Ist der Griff aus Kunststoff, so geht es besser. Feste Stoffe leiten die Wärme unterschiedlich stark weiter.
Im Klimasystem haben wir es nicht nur mit Feststoffen zu tun, sondern auch mit Wasser und Luft. Wie wird in ihnen Wärme transportiert? Wir führen hierzu einen Versuch durch.
Versuchsaufbau:
Stoppuhr
links: Becherglas mit Wasser in einer Wasserschale
rechts: Becherglas durch ein anderes Becherglas von der Wasserschale getrennt
Geräte:
2 Experimentiertauchsieder, 2 Thermometer, 2 Bechergläser (klein), 1 Becherglas (groß), 2 große Wassergefäße, Eiswürfel
Versuchsdurchführung:
1. Fülle die beiden kleinen Bechergläser mit Wasser gleicher Temperatur und erwärme sie durch Experimentiertauchsieder mit gleicher elektrischer Leistung.
2. Das eine Becherglas steht in einem Wassergefäß, das andere Becherglas steht in dem größeren Becherglas, das seinerseits in einem Wassergefäß steht. Achte darauf, dass die Temperaturen in den Wassergefäßen gleich bleiben. Das kann durch eine Wasser-Eis-Mischung sichergestellt werden.
Aufgaben:
1. Beobachte den Temperaturverlauf in beiden Bechergläsern.
2. Ändere durch das Einfüllen von Wasser die Wärmeleitung zwischen dem kleinen und dem großen Becherglas. Beobachte erneut den Temperaturverlauf in beiden Bechern. Erkläre den geänderten Verlauf.
3. Welcher Zusammenhang besteht zum Klimaproblem?
Messung der Temperatur vor dem Aufheizen:
Ergebnis:
Temperaturdaten in Abhängigkeit von der Zeit
|
Ohne Wasser
zwischen den Bechern |
Mit Wasser
zwischen den Bechern |
|||
| Zeit | Temp. Becher 1 | Temp. Becher 2 | Temp. Becher 1 | Temp. Becher 2 |
| [min] | [°C] | [°C] | [°C] | [°C] |
| 0 | 44 | 44 | 36 | 36 |
| 1 | 39 | 44 | 34 | 34 |
| 2 | 35 | 43 | 32 | 32 |
| 3 | 31 | 42 | 30 | 30 |
| 4 | 29 | 41 | 28 | 29 |
| 5 | 27 | 40 | 28 | 28 |
| 6 | 26 | 39 | 27 | 27 |
| 7 | 23 | 39 | 26 | 26 |
| 8 | 21 | 39 | 24 | 25 |
| 9 | 20 | 38 | 24 | 25 |
| 10 | 18,5 | 37 | 24 | 25 |
| 11 | 17 | 36,5 | - | - |
| 12 | 16 | 36 | - | - |
| 13 | 14,5 | 35,5 | - | - |
| 14 | 14 | 35 | - | - |
| 15 | 13 | 34,5 | - | - |
Grafische Darstellung:
T1 gibt den Temperaturverlauf des linken Bechers im Wasser wieder
T2 gibt den Temperaturverlauf des rechten Bechers wieder, der in einem zweiten steht und von Luft umgeben ist.
Um zu zeigen, dass nicht etwa die zweite Glaswand des großen Bechers denn Wärmetransport verhindert, sondern wirklich die Luft zwischen den Bechern, füllten wir den Zwischenraum mit Wasser. Der Temperaturverlauf zwischen beiden Bechern ist nun sehr ähnlich.
T1 gibt den Temperaturverlauf des linken Bechers im Wasser wieder
T2 gibt den Temperaturverlauf des rechten Bechers wieder, der nun auch von Wasser umgeben ist.
Interpretation:
1. Das Wasser erhält in beiden Behältern die gleiche Wärmeleistung. Beide Wassermengen geben ihre Wärme an ihre Umgebung (Wasser von 0 °C) ab. Trotzdem sind beide Wassertemperaturen verschieden.
Der erste Becher steht direkt im Wasser mit der Temperatur 0°C. Der zweite Becher steht in einem Becher, der im Wasser von 0°C steht. Eine dünne Luftschicht zwischen dem kleinen und dem großen Becher behindert den Wärmeübergang von erwärmten Wasser im Becher in die Umgebung. Die Wassertemperatur im zweiten Becher ist deshalb höher als im ersten Becher.
2. Ändert man durch das Einfüllen von Wasser die Wärmeleitung zwischen dem kleinen und dem großen Becherglas, so beobacht man einen geänderten Temperaturverlauf in den beiden Bechern. Die Luftschicht existiert nun nicht mehr und somit kann die Wärme aus dem zweiten Becherglas besser abgeleitet werden.
Schlußfolgerung:
Bei gleichem Einsatz von Energie ist die Temperatur dort höher, wo der Abfluss von Wärme geringer ist.
3. Bezug zum Klimasystem:
Wasser (Ozeane), Luft (Atmosphäre) und die Übertragung von Wärme aus der Sonnenstrahlung spielen eine wichtige Rolle im Klimasystem. Wir sahen, dass Luft die Wärme viel schlechter ableitet als Wasser. Der Wärmetransport von der erwärmten Erdoberfläche weg in Richtung Weltall ist durch einen schlechten Leiter wie Luft gehemmt.
Wenn die Luft in verschiedenen Höhen verschieden warm ist (siehe rote Temperaturkurve in der Grafik unten), so liegt dies nur in Bodennähe an der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit durch die Luft. Mit zunehmender Höhe spielen andere Eigenschaften, wie der Fähigkeit der Luftmoleküle Strahlung zu absorbieren, eine Rolle. Nur darum wird es in der Stratosphäre (15-50 km Höhe) wieder wärmer. Mit der Fähigkeit der Luft, Wärme durch Absorption aufzunehmen, beschäftigt sich der Treibhausversuch.
In den Ozeanen dagegen fällt die Temperatur mit zunehmender Tiefe. Die Wärme wird von oben nach unten weitergeleitet, erreicht aber wegen der enormen Tiefe der Ozeane (bis zu mehreren 1000m) nie die ganz tiefen Schichten. Darum ist der Ozean (außer in den Polargebieten) an der Oberfläche immer wärmer.