Das geothermale Phänomen Geysir - Ein Unterrichtsversuch zur Wärmelehre in der Jahrgangsstufe 7

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Lerngruppenbeschreibung

3. Sachanalyse
- 3.1 Das geothermale Phänomen „Geysir“
- 3.2 Wärmeleitung
- 3.3 Hydrostatischer Druck (hydrostatisches Paradoxon)
- 3.4 Druckabhängigkeit des Siedepunktes (von Wasser)
- 3.5 Berechnungen zum Geysirmodell

4. Didaktische Überlegungen
- 4.1 Das Phänomen im Physikunterricht
- 4.2 Vom Phänomen zum Modell
- 4.3 Modellbildungsprozesse

5. Methodische Überlegungen
- 5.1 Aufbau und Durchführung der Experimente
- 5.2 Berechnungen an den Experimenten

6. Groblernziele des Unterrichtsversuchs

7. Gliederung der Unterrichtsreihe

8. Durchführung der Unterrichtsreihe
- Darstellung der Unterrichtsstunden

9. Gesamtreflexion

10. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Im Themengebiet der Physik in der Sekundarstufe I wird in der 7. Jahrgangsstufe die Wärmelehre behandelt. Die folgende Konzeption zeigt, wie mit Hilfe eines Phänomens als Anwendungsproblem die Entwicklung eines Experiments, dessen Auswertung sowie die Notwendigkeit einer physikalischen Erklärung motiviert werden können.

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten mit Hilfe ihrer Vorkenntnisse Gesetzmäßigkeiten zur Wärmelehre. Sie entdecken die Wärmeleitung und die Abhängigkeit des Siedepunktes vom Druck (hydrostatischer Druck) und lernen, mit den neuen Begriffen umzugehen und diese anzuwenden.

Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei eine außerschulische Situation mit Hilfe von Physik (und auch Mathematik) zu beschreiben und zu bewältigen. Im Mittelpunkt des Unterrichts steht immer wieder das experimentelle Modell des Geysirs. Die Lernenden erkennen dabei die Bedeutung der Physik bei der Entdeckung, Erforschung und Erklärung von Naturereignissen.

2. Lerngruppenbeschreibung

Seit Beginn des Sommerhalbjahres 2001/2002 unterrichte ich die Klasse R7b zweistündig in eigener Verantwortung im Fach Physik. Insgesamt 29 Schülerinnen und Schüler befinden sich in der R7b, davon 18 Schülerinnen und 11 Schüler.

Diese 29 Schülerinnen und Schüler brachten unterschiedliche Vorkenntnisse zum Themenbereich der Wärmelehre mit. Im Winterhalbjahr werden nach den Lehrplänen für das Gymnasium und für die Realschule die Themenbereiche Einführung in die Physik, Optik und Akustik unterrichtet. In der Förderstufe (5./6.-Jg.) werden in Hessen keine Naturwissenschaften unterrichtet. Vorkenntnisse basierten hier also höchstens auf dem Sachkundeunterricht in der Grundschule.

Alle Schülerinnen und Schüler sind gut in den Klassenverband integriert. Einzige Ausnahme ist der Schüler Christian. Co.. Durch sehr viele Fehlstunden hat er bisher kaum am Unterricht teilgenommen. Wesentliche, bereits erarbeitete Kenntnisse zur Temperatur und zum Teilchenmodell fehlen ihm. Wenn Christian anwesend ist, sitzt er allein in einer Tischreihe und beteiligt sich nicht aus eigenem Antrieb am Unterricht. Er ist still, fällt nicht negativ auf und scheint den privaten Kontakt zu seinen Mitschülerinnen und Mitschülern zu meiden, zumindest nicht zu suchen. So arbeitet er in Gruppen- oder Partnerarbeitsphasen zumeist allein, oder wenn er an einer Gruppe beteiligt ist, hält er sich stark zurück. Dieses Verhalten sowie die Vielzahl der Fehlstunden sind der Klassenlehrerin bekannt und entsprechende Schritte eingeleitet.

Das Sozialverhalten der Gruppe im Unterricht ist gut. Es herrscht ein Klima in der Klasse, das ein Miteinander fördert und kein Gegeneinander. Die Schülerinnen und Schüler reden in der Regel miteinander und hören sich zu. Auch in sechsten Stunden sind sie diszipliniert und beteiligen sich mit einigen Ausnahmen am Unterricht.

Die Gesamtschule Obersberg verfügt über einen Fachraum für den Physikunterricht, der jedoch für die Wärmelehre nicht ausreichend ausgestattet ist. So fehlen beispielsweise Gasanschlüsse an den Schülertischen, Kolben, Stopfen, Glasrohre und Thermometer. Ein weiterer Aspekt, der Schülerversuche stark begrenzt, ist die Gruppenstärke von 29 Schülerinnen und Schülern. Für Temperaturmessungen verfügt die Schule über das digitale System „Cobra“ der Firma Phywe. Jedoch lässt sich dieses nicht einsetzen, da ein zur Messung und Auswertung benötigter PC fehlt. Bei den Messungen muss daher auf ein träges Flüssigkeitsthermometer zurückgegriffen werden.

3. Sachanalyse

3.1 Das geothermale Phänomen „Geysir“

Geysire, Spring- und heiße Quellen zählen zu den geothermalen Phänomenen, die wir hauptsächlich von Berichten und Dokumentationen über Island kennen. Auch in

Deutschland gibt es geothermale Phänomene wie beispielsweise heißes, salzhaltiges Grundwasser, das in Form von Sole an die Oberfläche gepumpt wird und zu Heilzwecken in Kurbädern eingesetzt (z.B. im nordhessischen Bad Sooden-Allendorf). Um die Entstehung solcher Phänomene zu verstehen, muss man einiges über den Aufbau der Erde wissen.

Das Schalenmodell der Erde

Zu etwa einem Drittel besteht unser Planet aus Eisen. Vor ungefähr 4,6 Miliarden Jahren, an Ende der Entstehungsphase der Erde, sank das flüssige Eisen in das Zentrum der Erdkugel. Das leichtere Material wurde dabei an die Erdoberfläche verdrängt und es entstanden durch die ungleiche Verteilung der Elemente letztlich Schalen: ein Kern aus Eisen und schwereren Elementen und eine Kruste aus leichteren Elementen, die durch einen Mantel aus den übriggebliebenen Elementen getrennt werden.

Eine Reise zum Erdmittelpunkt

„Unsere fiktive Reise beginnt am Dom in Köln, wo wir mit einer Forschungskapsel in die Erde eindringen. Nur 15 Meter dick sind die Spuren der Zivilisation. Darunter liegen Sand und Kies, Ablagerungen des Rheins aus der Eiszeit. Bereits 2 km unter der Erdoberfläche liegt die Temperatur bei 100°C - vor fast 400 Millionen Jahren, war hier ein Meer.

Bei Kilometer 8 erreichen wir schon 200 °C. Die Gesteine verändern ihre Struktur und verformen sich. Direkt unter Köln ist die Erdkruste in mehrere Blöcke zerbrochen. Diese Blöcke sind in Bewegung und verursachen immer wieder Erdbeben.

Unter der Erdkruste beginnt der Mantel. Das Gestein ist noch fest. Doch dazwischen gibt es Magmakammern, die Quellen für Vulkanismus. Bei Kilometer 2000 erreichen wir den unteren Mantel mit einer Temperatur von 3000°C. Das Material ist geschmolzen. Riesige Strömungen im Erdmantel verursachen die Bewegung der Kontinente. Die Hitze dafür kommt aus dem äußeren Kern – eine flüssige metallische Schmelze in 5000 km Tiefe. Schließlich erreichen wir das Innerste der Erde: eine riesige feste Metallkugel. Sie besteht fast vollständig aus Eisen und Nickel. Der innere Kern pulsiert und rotiert und gemeinsam mit dem äußeren Kern bewirkt er das Magnetfeld der Erde. 6378 km sind es bis zum Mittelpunkt der Erde.“

[Quelle: Archiv des Westdeutschen Rundfunks, Köln]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[Schalenaufbau der Erde. Bildquelle: Universität Mainz]

Wie entsteht geothermale Aktivität?

Durch Risse, Spalten und Löcher kann Wasser durch die Erdkruste in die Tiefe dringen. Kommt es dort mit heißen Gesteinsschichten in Berührung, dann heizt es sich auf und sprudelt als warme oder heiße Quelle an die Oberfläche.

Geothermale Gebiete in Island

In Island endet der Mittelatlantische Rücken und es ist die einzigste Stelle, wo sich dieser über die Wasseroberfläche erhebt. Über 700 Geothermalfelder zeigen deutliche geothermische Aktivität in Form von warmen und heißen Quellen oder Springquellen (Geysire).

Grund- und Regenwasser dringt durch Risse und Spalten im Gestein in den Boden ein und gelangt bis in Tiefen, in denen die durch Magmaintrusionen hervorgerufene Wärme groß genug ist, das Wasser so zu erhitzen, dass durch Ausdehnung und Druck des Wasserdampfes allein ein Aufsteigen bis zur Erdoberfläche möglich ist.

Wie funktioniert ein Geysir?

Das Funktionsprinzip eines Geysirs wird im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt: den hydrologischen und thermalen Eigenschaften von Wasser. Es transportiert und speichert die Wärme, die einen Geysir antreibt. Darüber hinaus besitzt es wichtige Eigenschaften, von denen die Geysiraktivität kritisch abhängt. Die spezifische Schwere verhält sich umgekehrt proportional zur Temperatur, je wärmer desto leichter. Die Wärmequellen eins Geysirsystems sind i.a. nicht gleichmäßig verteilt, so dass sich aufgrund des Temperaturgradienten ein korrespondierender Dichtegradient im System entwickelt. Dieser ist die treibende Kraft, der eine Zirkulation der Wassermassen im Geysirbassin aufrechterhält. Der Siedepunkt von Wasser ist eine Funktion des Druckes. Strokkur Schlot auf Island ist 13,5m tief und trichterförmig, 8,3m an der Oberfläche und nur 26cm Durchmesser in 8,3m Tiefe. Das Verdampfen des Wassers wird durch den Druck der darüber liegenden Wasserschichten unterdrückt und überschüssige Wärme wird gespeichert. In 7m Tiefe liegt der Siedepunkt des Wassers schon bei über 116°C! Die annähernd 1500-fache Volumenvergrößerung beim Verdampfen von Wasser verrichtet eine sehr große mechanische Arbeit, die sich letztendlich in dem Herausschleudern von Dampf und Wasser, der Eruption, aus dem Geysir zeigen. Obwohl in seiner Form trichterförmig, kann man zur Erklärung des Eruptionsmechanismus von Strokkur das Modell eines gleichförmigen Säulengeysirs heranziehen. Das simpelste Modell geht von einer gleichmäßigen Quelle überhitzten Wassers aus, dass sich nach einer Eruption im

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.: Schema eines Säulengeysirs.

Trichter sammelt und nach oben hin abkühlt (überhitztes Wasser ist ein recht häufig anzutreffendes Phänomen von Heißwasserquellen). Dort, wo der Siedepunkt (abhängig von der Tiefe!) erreicht ist, bilden sich Dampfblasen, die sich nach oben bewegen, im kühleren Wasser gebremst werden und kollabieren. Nach einiger Zeit entsteht ein metastabiler Zustand, der durch die Eruption wieder aufgelöst wird. Modelle dieser Art gehen davon aus, dass die aufsteigenden Dampfblasen bis zur Oberfläche vordringen können, wenn das umgebende Wasser nicht mehr kalt genug ist, die Dampfblasen zum kollabieren zu bringen. Weitere Analysen zeigen, dass es zwei Gleichgewichtszustände im Geysirsystem gibt: erstens füllt sich der Trichter mit Wasser bevor der Verdampfungsprozess beginnt; und zweitens bewegt sich der Siedepunkt innerhalb des Trichters während der Eruption immer weiter nach unten, da der sog. „hydrostatic head“ kleiner wird (vgl. Druckabhängigkeit des Siedepunktes). Je größer die Differenz zwischen diesen beiden Tiefen – der anfänglichen Blasenbildung und der finalen Tiefe – desto höher ist die Tendenz des Geysirs zu eruptieren. Die typischen Merkmale von Strokkur lassen sich recht gut mit diesem Modell erklären; insbesondere das Auf- und Niederwallen des Wassers zeigt, wie die aufsteigenden Dampfblasen immer wieder kollabieren, bevor die gesamte Wassermenge ausreichend erhitzt ist, um auch zur Oberfläche vorzudringen. Schließlich wölbt sich das Wasser glockenartig auf und kurz danach schießen Dampfblasen heraus, die das umgebende Wasser mit sich reißen. Es sei noch erwähnt, dass die im Wasser gelösten Mineralien die hydrologischen und thermalen Eigenschaften des Geysirsystems nicht wesentlich beeinflussen.

3.2. Wärmeleitung

Die Wärmeleitung entdeckt wohl jeder, wenn man sich beim Kochen an einem heißen Henkel die Finger verbrennt. Denn nicht nur das Kochgut wird erwärmt, sondern auch Topfgriffe oder Pfannenhenkel sind nach kurzer Zeit schon sehr heiß. Wie kommt das?

Der klassische Versuch hierzu wird mit einem Eisenstab durchgeführt, auf dem mehrere Kerzen befestigt sind. Dieser wird nun von der Flamme eines Gasbrenners erwärmt. Nach und nach schmilzt das Wachs und die Kerzen fallen herunter. Mit der Hand kann man schnell nachprüfen, dass der Stab auch an den Enden heiß geworden ist, obwohl diese dort gar nicht erhitzt wurden.

Aus diesem Versuch wird geschlossen, dass Wärmeenergie von der erhitzten Stelle bis zum vormals kalten Stabende transportiert worden ist. Diese Art des Wärmetransports nennt man Wärmeleitung.

Auf diesen Versuch folgt meistens der „Wassertopfversuch“. In einem Topf befindet sich heißes Wasser. Dieser Wird mit einem Deckel verschlossen, durch den Rundstäbe aus verschiedenen Materialien geführt sind. Ein Ende des Stabes ragt in das Wasser, das andere aus dem Topfdeckel heraus. Durch überprüfen mit der Hand stellt man fest, dass es sehr gute, gute, schlechte und sehr schlechte Wärmeleiter gibt.

Zum Abschluss folgt der „Glasrohrversuch“. Ein Glasrohr wird mit einem Ende in die Flamme des Gasbrenners und mit dem anderen Ende mit den bloßen Fingern gehalten. Man kann es immer noch halten, selbst wenn das Glasrohr in der Flamme glüht und zu schmelzen beginnt. Schließlich ordnet man auch Luft und Wasser eine Wärmeleitung zu.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Schüler wird folgende Regel festgehalten:

Den Transport von Energie innerhalb eines Körpers ohne Bewegung eines

Stoffes nennen wir Wärmeleitung.

[Spektrum Physik, Gymnasium 7/8 Hessen. Schroedel. Hannover 2001]

In anderen Fachbüchern findet man:

Der Energietransport durch Stöße bei der ungeordneten Teilchenbewegung

nennt man Wärmeleitung.

[Dorn, Bader: Physik Mittelstufe B. Schroedel. Hannover 1992]

Im Inneren eines Ofens wird Wärme erzeugt – aber auch außen ist der Ofen warm. Also gelangt Wärme durch die Steinverkleidung und das Eisen von

innen nach außen. Diese Art des Wärmetransports durch feste Körper nennt

man Wärmeleitung.

[Walz: Physik, Gesamtausgabe. Schroedel. Hannover 1982]

Wärmeströmung im Wasser (Konvektion)

Wasser verändert beim Erwärmen seine Dichte und steigt nach oben (kaltes Wasser sinkt ab). Es kommt zu einem Zirkulationsstrom (Konvektion). Das Heizungsmodell demonstriert dabei anschaulich die Wirkungsweise einer Warmwasserheizung, wobei an zwei Stellen Temperaturmessungen vorgenommen werden: im „Heizkessel“ und hinter dem „Heizkörper“. Beim Geysir lässt sich die beim Erhitzen auftretende Konvektion gut durch eine Schlierenbildung (Lichtbrechung) beobachten.

3.3. Hydrostatischer Druck (hydrostatisches Paradoxon)

„Viel Wasser in einem Gefäß mit großer Grundfläche = großer Druck am Boden – Wenig Wasser in einem Gefäß mit kleiner Grundfläche = kleiner Druck“, diese Vorstellung haben viele. Aber mit Hilfe des „Hebelarmversuches“ kann man zeigen, dass der Druck am Boden nur vom Wasserstand abhängig ist. Diese Erscheinung ist als hydrostatisches Paradoxon in der Physik bezeichnet. Mathematisch lässt sich dies leicht beweisen:

Für das Volumen V einer Wassersäule mit der Höhe h und der Grundfläche [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Druck p ist allgemein definiert als Kraft F pro Fläche A:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In unserem Fall ist Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und damit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Kraft ist die Gewichtskraft, die durch die Masse der Wassersäule auf die Grundfläche ausgeübt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Masse der Wassersäule berechnet sich aus der Dichte Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Wassers und dem Volumen V der Wassersäule. Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Definition der Dichte)

bzw.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten folgt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die gesuchte Kraft erhält man dann

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schließlich ergibt sich für den Druck

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auch hier wird für die Schüler eine Regel formuliert:

Der Schweredruck in einer Flüssigkeit ist unabhängig von der Gefäßform.

Er hängt nur ab von der Höhe des Flüssigkeitsstandes.

[Spektrum Physik, Gymnasium 7/8 Hessen. Schroedel. Hannover 2001]

Genau genommen ist die Formulierung in „Spektrum Physik“ falsch, denn es fehlt die Abhängigkeit von der Dichte und damit die Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit unter der Voraussetzung, dass die Erdfallbeschleunigung konstant ist.

Der Schweredruck p in einer Flüssigkeit ist von der Gefäßform unabhängig.

Er hängt nur von der Tiefe h, von der Dichte der Flüssigkeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und vom

Ortsfaktor g ab: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

[Dorn, Bader: Physik Mittelstufe B. Schroedel. Hannover 1992]

Der Schweredruck hängt nicht ab von der Leitungsform und der Gefäßform.

[Walz: Physik, Gesamtausgabe. Schroedel. Hannover 1982]

Diese Formulierung in Walz ist mehr als unzureichend.

Der Schweredruck wird auch als hydrostatischer Druck bezeichnet.

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