Arbeitsauftrag 1
Die Schülerinnen und Schüler sollen typische Empfindungen und deren Folgen auf Konzentration und Stimmungbenennen. Erwartbare Punkte sind:
Bei zu warm:
Gefühl von Schwitzen, klebriger Haut
Blasse Haut, Rötung im Gesicht
Müdigkeit, Schläfrigkeit
Verminderte Leistungsfähigkeit, Konzentrations¬schwäche
Gereiztheit, Unruhe oder Gereiztheit
Bei zu kalt:
Frösteln, Zittern
Gänsehaut, kalte Beine/Hände
Fokussierung auf Wärmegefühl, Ablenkung vom Unterricht
Verkrampfung, Unbehagen, schlechte Laune
Auswirkungen (je nach Empfindung):
Konzentrationsprobleme (Gedankensprünge, Fehlerhäufigkeit)
Motivationsverlust („Ich will mich lieber bewegen/aufwärmen“)
Stimmungstiefs oder Gereiztheit gegenüber Mitschülern
Arbeitsauftrag 2
Die Schülerinnen und Schüler sollen physikalisch korrekt erklären, dass Metallgriffe sich kälter anfühlen als Holztüren, obwohl beide dieselbe Temperatur haben. Erwartbare Elemente der Begründung:
Gleiche Temperatur – unterschiedliches Wärmeempfinden:
Feststellung: „Objekt und Hand sind gleich warm, aber das Wärmegefühl hängt vom Wärmefluss ab.“
Wärmeleitfähigkeit (thermische Leitfähigkeit):
Metall hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit → leitet Wärme schnell von der Hand weg.
Holz hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit → leitet Wärme nur langsam ab.
Wärmefluss und Hauttemperatur:
Am Metallgriff entzieht die Hand schnell viel Wärme → die Haut kühlt lokal ab → Griff fühlt sich „kalt“ an.
Bei der Holztür fließt Wärme nur langsam ab → die Haut bleibt wärmer → Tür fühlt sich „angenehm“ bzw. „wärmer“ an.
Fachbegriffe / Formulierungen:
„Metall hat niedrigen Wärmewiderstand, Holz hohen Wärmewiderstand.“
„Wärmefluss ist proportional zur Temperaturdifferenz und zur Wärmeleitfähigkeit.“ (grundlegende Nennung)
Arbeitsauftrag 3
Die Schülerinnen und Schüler sollen an einem konkreten Beispiel zeigen, dass sie zwischen Messwert (20 °C) und dem tatsächlichen Kälteempfinden unterscheiden können und dabei die Fachbegriffe „Strahlungstemperatur“ und „Luftbewegung“ korrekt einsetzen. Erwartbare Punkte:
A) Beispielsituationen:
Man sitzt an einem sonnigen, aber zugigen Fensterplatz: Thermometer zeigt 20 °C, durch den Luftzug (Fensterfalz, offenstehende Tür) fühlt man sich kalt.
Im Klassenraum neben einer großen, unbeheizten Außenwand oder einem kühlen Fenster (Strahlungstemperatur der Fläche deutlich unter 20 °C): Man friert, obwohl die Luft selbst warm genug ist.
Ein Ventilator oder eine Klimaanlage bläst leichte Luftbewegung bei 20 °C → man empfindet den „Windchill“-Effekt.
B) Physikalische Erklärung
Strahlungstemperatur:
Kalte Oberflächen (Fenster, Außenwand) haben eine niedrigere Strahlungstemperatur als die Luft.
Der Körper verliert über Wärmestrahlung mehr Energie an diese kühlen Flächen, als er von ihnen zurück¬erhält → man fühlt sich kalt.
Luftbewegung (Konvektion):
Schon leichte Luftströmungen an der Hautoberfläche beschleunigen den Wärmeabtransport.
Durch den erhöhten konvektiven Wärmefluss sinkt das lokale Hauttemperaturniveau → Kälteempfinden („Windchill“) trotz 20 °C Lufttemperatur.
Zusammenspiel
Kalte Strahlungs¬temperatur sorgt für erhöhte Abstrahlung von Wärme.
Zugluft/Thermische Schichtung im Raum verstärkt den konvektiven Wärmeverlust.
Beide Effekte können einzeln oder gemeinsam auftreten und führen zum Frieren.
Beispiel Handout
1. Definition:
Temperatur: Maß für die durchschnittliche Bewegungsenergie (kinetische Energie) der Teilchen in einem Körper. Ein Thermometer misst diese Energie.
Wärme: Energie, die zwischen zwei Körpern aufgrund eines Temperaturunterschieds fließt (immer von warm nach kalt), bis thermisches Gleichgewicht erreicht ist.
2. Die Wärmewege:
Wärmeleitung:
Energieübertragung durch Teilchenstöße ohne Stofftransport.
Beispiel: Eine Metalltürklinke wird kalt, weil sie die Wärme von Ihrer Hand schnell ableitet.
Konvektion:
Transport von Wärme durch strömende Flüssigkeiten oder Gase (Luft).
Beispiel: Warme Luft über dem Heizkörper steigt auf und verteilt sich unter der Decke.
Wärmestrahlung:
Unsichtbare Infrarotstrahlung transportiert Wärme ohne Medium.
Beispiel: Die Sonne oder eine warme Deckenlampe erwärmt Ihr Gesicht, obwohl die Luft kühl ist.
3. Die gefühlte Temperatur
Operative Temperatur: Mittelwert aus Lufttemperatur und Strahlungstemperatur der Umgebung.
Luftbewegung (Zugluft): Erhöht den Wärmeverlust der Haut (Windchill-Effekt).
Luftfeuchte: Hohe Feuchte verstärkt Wärmegefühl, geringe Feuchte lässt es kälter wirken (Luftfeuchtigkeit hier etwas vernachlässigt, da das Thema ein eigenes Thema darstellt).
Kleidung & Aktivität: Dicke Kleidung hält Wärme, Bewegung erzeugt eigene Körperwärme.
4. Messung: Prinzip eines Temperatursensors
Thermistor: Widerstand ändert sich mit der Temperatur. Die Spannungsänderung wird gemessen und in °C umgerechnet.
(Alternativ) Thermoelement: Zwei Metalle erzeugen einen Spannungsunterschied (Seebeck-Effekt), der proportional zur Temperaturdifferenz ist.
