Wo schmilzt das Wachs schneller?

Wärmestrahlung Absorption Wärmeleitung Innere Energie Temperatur

An einer Dose, deren Innenraum berußte und glänzende Stellen aufweist, beobachtet man, dass schwarze, raue Flächen Infrarotstrahlung wesentlich besser absorbieren als glänzende oder weiße.

Abb. 1

Material

geöffnete Blechdose, deren Innenfläche aus glänzendem oder weißem Material besteht

Kerze

2 gleiche Münzen

Glühlampe (Leistung: mindestens 60 W), mit Fassung und Netzanschluss

Hilfsmittel: Streichhölzer

Aufbau und Durchführung

An der Innenwand einer Blechdose wird auf halber Höhe eine Fläche von ca. 5 cm   5 cm mit einer Kerzenflamme berußt (siehe Abb. 1). An der Außenwand befestigt man mit möglichst wenig Wachs zwei Münzen (siehe Abb. 1). Eine der Münzen sollte außen über der schwarz gefärbten Stelle liegen und die andere in gleicher Höhe gegenüber der ersten Münze, d.h. über einer glänzenden oder weißen Stelle (siehe Abb. 1). Die präparierte Dose stülpt man über eine Glühlampe.

Die Münze über der schwarz gefärbten Fläche rutscht deutlich früher ab, weil sich dort das Wachs wesentlich schneller erwärmt als über der glänzenden Stelle. Berührt man außen an der Dose gleichzeitig die beiden Bereiche mit den Fingern, kann man den Temperaturunterschied deutlich fühlen.

Erklärung

Glühlampen senden zu einem sehr großen Teil infrarotes Licht aus. Dieses wird zum Teil von der Innenseite der Dosenwand absorbiert (siehe unten), wodurch sich deren innere Energie und Temperatur erhöht. Ein Teil der inneren Energie wird in Form von Wärmeenergie an das Wachs auf der Dosenwand weitergeleitet. Die Größe des Wärmestromes von der Wand zum Wachs ist vom Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Materialien abhängig. Die innere Energie des Wachses erhöht sich, wodurch seine Temperatur ansteigt. Bei Erreichen der Schmelztemperatur (50 – 62 °C, rutscht die Münze herunter.

Der Absorptionskoeffizient für infrarotes Licht einer rauen, schwarzen Fläche ist wesentlich größer als der einer glänzenden oder weißen. Deshalb nimmt die innere Energie und die Temperatur der schwarzen Fläche schneller zu, wenn beide Flächen mit der gleichen Lichtquelle bestrahlt werden. Die größere Temperatur der schwarzen Fläche führt zu einem stärkeren Wärmestrom von dieser Fläche zum daneben liegenden Wachs. Deshalb nimmt die innere Energie und die Temperatur des Wachses neben der schwarzen Fläche wesentlich schneller zu als die des Wachses neben der weißen oder glänzenden Fläche. Die Schmelztemperatur des Wachses wird früher erreicht.

Bemerkungen

Der französische Forscher Jean Felix Piccard (1884‑1963) nutzte bei seinem Ballonaufstieg in die Stratosphäre die Sonnenstrahlung aus, um die Temperatur in seiner Gondel zu regulieren. Eine Hälfte der kugelförmigen Gondel war weiß und die andere schwarz angestrichen. Durch einen Propeller konnte die Gondel gedreht werden. Je nach gewünschter Temperaturveränderung in der Gondel drehte er die schwarze oder die weiße Hälfte der Sonne zu.

Literatur

Meisinger, K.: Physikalische Experimente mit Dosen, Schriftliche Hausarbeit zur Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Hauptschulen nach der Lehramtsprüfungsordnung I (LPO I) 1994/II, o.V., Augsburg 1994

zu Bemerkungen:

Raaf, H.; Sowada, H.: Physik macht Spaß, Überraschende Einsichten durch über 100 Modelle und Experimente, Herder Verlag, Freiburg im Breisgau 1990, S. 54