Was sind gute Temperaturleiter?

Temperaturleitzahl Wärmeleitfähigkeit Dichte Spezifische Wärmekapazität

Die Temperaturleitfähigkeit verschiedener Materialien wird verglichen, indem man das Fortschreiten des Schmelzens von Butter auf Löffeln aus verschiedenen Materialien beobachtet.

Abb. 1 

Material

Löffel oder Stäbe ähnlicher Form aus verschiedenen Materialien, z.B. Silber, Stahl, Holz, Kunststoff oder Glas

Gefäß (ca. genauso hoch wie breit), in das die Löffel hineingelehnt werden können ohne umzukippen, z.B. Tasse, aber am besten isoliertes Thermogefäß

Butter

kleinere Körner, z.B. Weizen, Reis oder Grünkern

kochendes Wasser

Hilfsmittel: Trichter

Aufbau und Durchführung

Die Löffel und Stäbe aus den angegebenen Materialien werden in das Gefäß gestellt und gleichmäßig am Rand verteilt (siehe Abb. 1). An die Unterseiten der Löffelstiele, etwa 1 cm über dem Gefäßrand beginnend, klebt man jeweils ein Korn mit möglichst wenig Butter fest. Darüber werden im Abstand von 1 cm noch weitere Körner befestigt (siehe Abb. 1).

Mit Hilfe eines Trichters gießt man kochendes Wasser in das Gefäß. Der Trichter verhindert, dass die Butter, mit der die Körner an den Löffeln befestigt sind, mit dem heißen Wasser in Berührung kommt. Jetzt ist auch klar, warum die Körner an der Unterseite der Löffelstiele befestigt werden. So wird die Butter nicht von den heißen Dämpfen, die vom kochenden Wasser aufsteigen, erwärmt.

Es soll beobachtet werden, in welcher Reihenfolge die Körner herunterfallen. Die Körner auf dem Silberlöffel beginnen zuerst zu fallen, es folgen die auf dem Stahllöffel und danach die Körner des Holzlöffels und die des Löffels bzw. Stabes aus Glas. Die Körner auf dem Kunststofflöffel fallen zuletzt.

Um ein Sortiment von Stäben möglichst vieler verschiedener Materialien zu erhalten, kann auch auf die Kunststoff und Glasstäbe zurückgegriffen werden, die in der Elektrostatik Verwendung finden. Dieses Sortiment kann man noch mit einer kurzen Stativstange (Metall) und einer Holzleiste erweitern, die einen ähnlichen Durchmesser haben wie die übrigen Stäbe. Allerdings sind diese Stäbe sehr dick, und es ist viel Wärmeenergie erforderlich, um ihre Temperatur zu erhöhen. Deshalb verwendet man anstatt der Tasse am besten ein Thermogefäß. Dies kann mehr heißes Wasser fassen und verhindert, dass viel Wärmeenergie an die Umgebung verloren geht.

Erklärung

Das heiße Wasser erwärmt die Teile der Löffel, die sich im Wasser befinden, gibt also Wärmeenergie an diese ab, bis sie die gleiche Temperatur wie das Wasser haben. Die Temperatur wird in den Löffeln nach oben weitergeleitet. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur weitergeleitet wird, nimmt mit der Temperaturleitzahl zu. Diese ist vom Material abhängig:

Temperaturleitzahl: 

(: Wärmeleitfähigkeit; : Dichte; c: spezifische Wärmekapazität)

In Tabelle 1 sind die ungefähren Werte für die verschieden Materialien aufgelistet:

Tabelle 1:

Die Butter schmilzt und die Körner fallen herunter, wenn die Temperatur an der Stelle des Löffels, an der sich Butter und Körner befinden, so hoch wie die Schmelztemperatur der Butter ist. An den Stellen, an denen das Korn bereits herunter gefallen ist, ist die Temperatur des Stabes mindestens so groß wie die Schmelztemperatur der Butter. Dort, wo die Körner noch am Löffel haften, ist die Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur der Butter. So kann beobachtet werden, wie schnell eine bestimmte Temperatur, die Schmelztemperatur der Butter, in den Stäben fortschreitet.

Die Schmelztemperatur der Butter liegt je nach Gegend, aus der die verwendete Milch kommt, zwischen 20 °C (Allgäuer Butter) und 30 °C (Fränkische Butter).

Literatur

Raaf, H.; Sowada, H.: Physik macht Spaß, Überraschende Einsichten durch über 100 Modelle und Experimente, Herder Verlag, Freiburg im Breisgau 1990

Ardley, N.: 101 spannende Experimente aus Wissenschaft und Technik, Loewe Verlag, Bindlach 1995

zu Tabelle 1:

Kuchling, H.: Taschenbuch der Physik, Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt/Main 1989, S. 581-582, S. 569-598, S. 612-613