Unterrichtsstunde 3.1: Was ist thermischer Isolator?

Autoren:
Publikation:	12.4.2011
Lernstufe:	3
Ziele:	Feststellen, dass ein thermischer Isolator (= ein Dämmstoff) nicht heizt, sondern den Wär­me­austausch hemmt: Die Wärmedämmung der Wohnung schützt sowohl vor Kälte als auch vor Hitze.
Angestrebte Kenntnisse:	Versuche anstellen können; eventuell auftretende Probleme lösen können. In Zusammenarbeit mit anderen Schülern und dem Lehrer ein Experi­mentierprotokoll entwickeln und mit geeigneten Mitteln umsetzen können. Mit dem Thermometer umgehen und die Temperatur ablesen können.
Schwerpunkt:	Naturwissenschaften und Technologie
Wortschatz:	Isolator, Isolierung, Wärmedämmung, thermisch, Dämmstoff
Dauer:	1 Stunde 30 Minuten
Material:	Für jede Gruppe: 2 Thermometer 2 identische kleine Flaschen (in den Verschluss wird jeweils ein Loch gebohrt, durch das ein Thermometer gesteckt werden kann) 1 oder mehrere Wollpullover 1 Wasserkocher 1 Flasche mit kaltem Wasser aus dem Kühlschrank
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Einstiegsfrage

Der Lehrer kommt auf die ganz am Anfang des Projekts formulierten Bedürf­nisse zurück: Eine Wohnung soll unter anderem vor Kälte und Hitze schützen. Er fragt die Klasse: "Wie heizt ihr zu Hause? Und wie wird unsere Schule beheizt?" Manche Schüler wissen keine Antwort, andere schon: mit Strom, mit Gas, mit Öl, mit einem Ofen.

Nun wurde schon festgestellt, dass wir weniger Energie verbrauchen sollten. Wie können wir das erreichen? Der Lehrer fragt: "Könnt ihr euch vorstellen, wie man auch mit weniger Energie eine Wohnung warm bekommen kann?" Die Kinder antwor­ten zum Beispiel:

"Man muss die Wärme der Sonne nutzen. Man muss vermeiden, dass Wärme verloren geht, usw." Falls die Schüler nicht von sich aus auf Wärme­dämmung kommen, gibt der Lehrer Hinweise ("Was tut ihr, damit ihr im Winter nicht friert, wenn ihr rausgeht?"), so dass das Stichwort Wolle fällt. Was genau macht die Wolle? Die Klasse wird i. A. geteilter Meinung sein: Die einen denken, dass Wolle wärmt, die anderen, dass sie vor Kälte schützt.

Untersuchung mit Experiment

Der Lehrer schlägt vor, experimentell herauszufinden, ob Wolle wärmt. Eine Möglich­keit wäre, eins der beiden Thermometer in einen Wollpullover zu wickeln, und mit dem anderen die Lufttemperatur zu messen. Der Versuch wird gemeinsam durchgeführt. Unter­dessen schreiben die Schüler ins Ver­suchs­heft, welches Ergebnis sie vorhersagen. "Wie hoch wird die Temperatur in 10 Minu­ten sein?" Manche denken, dass sie deutlich steigt, um 10°C oder sogar mehr.

Nach 10 Minuten stellt sich heraus, dass zwischen dem Thermometer im Wollpullover und der Raumtemperatur keine Temperaturdifferenz entstanden ist. Beide Thermometer zeigen die gleiche Temperatur an: Die Wolle wärmt also nicht (obwohl sie zweifellos warm hält).

"Wie macht die Wolle das?" Offensichtlich lässt sie die Kälte nicht herein und die Wärme nicht heraus.

Abb. 1: Wärmt Wolle? (Nach einer Zeichnung eines Fünftklässlers aus der Klasse von Anne-Marie Lebrun, Bourg-la-Reine, Frankreich)

Untersuchung mit Experiment

Zur genaueren Prüfung kann die Klasse sich jetzt ein weiteres Experiment vornehmen. Es werden warme Gegenstände benötigt, die warm gehalten werden sollen.

"Welche Gegenstände kommen für diesen Zweck in Frage?" Eine Möglichkeit wären zum Beispiel zwei Flaschen mit warmem Wasser. Das Wasser muss nicht sehr warm sein, 40°C genügen (wenn die Zimmertemperatur etwa 20 bis 25°C beträgt). Die eine Flasche wird in einen Wollpullover gewickelt, die andere bleibt einfach an der Luft. In jeder steckt ein Thermometer. Eine Viertelstunde lang werden alle fünf Minuten die Temperaturen abge­lesen und notiert. Jede Gruppe führt für sich den Versuch durch.

Abb. 2: Ein Junge liest die Temperatur an einem Thermometer ab.
(4. Klasse von Emmanuelle Wilgenbus, Antony, Frankreich)

Gemeinsame Erörterung

Alle Gruppen haben festgestellt, dass die Temperatur in der eingewickelten Flasche weni­ger gesunken ist als in der anderen. Schlussfolgerung: Wolle wärmt nicht, sie verhindert das Abkühlen.

Neues Experiment

Der Lehrer fragt: "Was meint ihr, verhindert die Wolle auch das Erwär­men, wenn die Umgebung wärmer ist als das Wasser?" Er sammelt die Hypothesen der Schüler und auch die Vorschläge für Versuche, mit denen die Hypothesen überprüft werden können. Man bräuchte doch im vorherigen Experiment nur das warme Wasser durch kaltes zu ersetzen. Die Schüler führen das Experi­ment wieder in kleinen Gruppen durch.

Gemeinsame Erörterung

Alle Gruppen stellen ihre Ergebnisse vor: Das Wasser in der mit einem Wollpul­lover um­wi­ckelten Flasche hat sich weniger erwärmt als das Wasser in der frei stehenden Flasche. Schlussfolgerung: Die Wolle schützt vor Erwärmung. Der Lehrer fragt die Schüler, wie man einen Stoff nennt, der sowohl vor Wärme als auch vor Kälte schützt: Der Begriff Isolator (in diesem Fall thermischer Isolator, auch Dämmstoff genannt) wird eingeführt. Er ließe sich wie folgt erläutern: "Ein Isolator schützt gleich gut vor Wärme und vor Kälte. Man sagt: Er hemmt den Wärmeaustausch."

Zurück zur Einstiegsfrage

Die Frage der Isolierung/Dämmung soll nun wieder im anfänglichen Zusammen­hang ge­stellt werden: Wo im Haus befinden sich Dämmstoffe, wo kann zusätz­lich gedämmt werden? Die Kinder kommen sofort auf Wände und Decken. Aber nicht alle denken auch an die Fenster und eine Verbesserung der Wärmedäm­mung dort (Doppelfenster, Doppel­glas).

Zusammenfassung

Eine Zusammenfassung, die die Klasse ziehen und in die Arbeitshefte eintragen kann, wäre zum Beispiel: Ein Isolator oder Dämmstoff hemmt den Wärme­aus­tausch. Im Sommer kann man sich durch Wärmedämmung vor starker Hitze schützen, im Winter vor großer Kälte. Wenn man die Wärmedämmung der Wohnung verbessert, kann man sowohl im Sommer (Klimaanlage) als auch im Winter (Heizung) Energie sparen.

In der nächsten Unterrichtsstunde sollen die verschiedenen im Wohnbereich verwendeten Dämmstoffe untersucht werden. Wir werden feststellen, dass manche umweltfreundlicher sind als andere.

Mögliche Fortsetzungen

• Im Mathematikunterricht hat man hier eine passende Gelegenheit gra­fische Darstellungen zu üben: Wahl der Achsen, Entsprechung von Tabellendaten und Punkten in der Grafik, Verständnis und Interpretation von Grafiken, usw.
• Auch die experimentelle Arbeit lässt sich fortführen: Man kann beobach­ten, wie mit jeder neuen Dämmstoffschicht die Dämmung wirksamer wird. Man braucht dazu nur weitere Wasserflaschen: Eine bleibt unverhüllt, eine zweite wird in einen Wollpullover gewickelt, die dritte in zwei Wollpullover usw.
• Man kann auch andere im Hausbau verwendete Stoffe ausprobieren, sol­che die dämmen und solche, die das nicht tun (vgl. die folgende Unter­richtsstunde). Vorsicht: Sowohl Glas- als auch Steinwolle bergen Gesund­heitsrisiken und sollten nicht in die Hände der Schüler gelangen.

Abb. 3: Ein Junge zeichnet ein Diagramm.
(5. Klasse von Christine Blaisot, Le Mesnil-Esnard, Frankreich)

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