Teewasserkochversuch
Anleitung
Basiswissen
Wie lange dauert es, um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen? Ein Versuch zur Umwandlung von elektrischer in thermische Energie, geeignet ab etwa Klasse 10.
Grundidee des Teewasserkochversuch
Über den Stromanschluss gelangt elektrische Energie[1] in den Wasserkocher. Von dem Heizstab[2] am Boden wird diese elektrische Energie umgewandelt in Wärme[3]. Wenn man weiß, wie viel elektrische Energie in jeder Sekunde zugeführt wird[4], und wenn man b) auch weiß, wie viel Energie ein Liter Wasser benötigt, um ein Grad wärmer zu werden[5], dann müsste man damit recht gut abschätzen können, wie lange es dauert, bis ein Liter Wasser kocht.
Benötigtes Material
- einen Wasserkocher ↗
- einen Messbecher ↗
- einen Notizzettel ↗
- ein Thermometer ↗
- eine Stoppuhr ↗
1. Schritt
Versuchsblatt anlegen: Nimm ein DIN-A4-Blatt hochkant. Schreibe als Überschrift: "Teewasserkochversuch". Schreibe ganz unten klein deinen Namen und das Datum auf. Zeichne in die obere Blätthälfte einen Wasserkocher. Die Skizze soll etwa so hoch sein, wie deine Hand breit ist. Skizziere, dass der Wasserkocher mit einem Liter Wasser gefüllt sein soll. Schreibe an die Skizze die ungefähre Außentemperatur (Kaltes Zimmer wären etwa 16 Grad, angenehmes Zimmer wären um die 20 Grad, warmes Zimmer wären etwa 25 bis 30 Grad, sehr warm wären mehr als 30 Grad. Auf dem Wasserkocher muss irgendwo seine elektrische Leistung stehen. Meistens steht so etwas auf einem kleinen aufgeklebten Schild am Boden. Die Leistung ist die Zahl vor der W (für Watt) oder vor einem kW (Kilowatt) oder vor einem VA (Voltampere, ist wie Watt). Schreibe ie Leistung mit auf das Versuchsblatt.
2. Schritt
Heizenergie berechnen: Ein Watt Leistung heißt bei einem Wasserkocher: in einer Sekunde geht ein Joule elektrische Energie in das Wasser und wird dort zu thermischer Energie. Die thermische Energie lässt die Temperatur des Wassers steigen. Die spezifische Wärmekapazität des Wassers sagt, wie viele Joule man für ein Kilogramm braucht, um es einen Grad wärmer zu machen. Ein Liter Wasser wiegt ziemlich genau ein Kilogramm. Um das Wasser zum Kochen zu bringen, muss man es von der Raumtemperatur auf 100 Grad Celsius erwärmen. Mit diesen Angaben weißt du, wie viele Joule du brauchst, um das Kilogramm Wasser auf 100 Grad Celsius zu bringen. Ein Grad Celsius ist vom Unterschied genau das Gleiche wie ein Kelvin. Wenn man das Wasser um 80 Grad Celsius erwärmen will, ist es das Gleich, wie eine Erwärmung um 80 Kelvin.
Schreibe auf das Versuchsblatt:
Masse Wasser: 1 kg
Spezifische Wärmekapazität Wasser: etwa 4200 Joule pro Kg und Kelvin
Raumtemperatur: _____________ °Celsius
Temperaturerhöhung bis zum Kochen: ________ °C
Benötigte Energie für 1 °C Erwärmung: ________ Joule
Benötigte Energie bis zum Kochen bei 100 Grad Celsius: ________ Joule
3. Schritt
Heizdauer berechnen: Wenn du jetzt weißt, wie viele Joule in das Wasser übergehen müssen, dann kannst du als nächstes berechnen, wie lange das dauert. Die Leistung des Waserkochers sagt, wie viele Joule in jeder Sekunde übergehen. Du kannst jetzt zum Beispiel mit dem Dreisatz berechnen, wie oft man die Energiemenge von einer Sekunde Heizen braucht, bis die gesamte Energiemenge übergegangen ist. Schreibe dann auf das Blatt:
Berechnete Heizdauer: _________ Sekunden
4. Schritt
Wasser kochen: Miss nun einen Liter Wasser ab, gib ihn in den Wasserkocher. Stelle den Kocher an und starte gleichzeitig die Stoppuhr. Miss die Zeit, die der Kocher braucht, bis das Wasser kocht. Das müssten einige wenige Minuten sein. Wasser kocht, wenn sichtbar große Blasen vom Boden aufsteigen. Das zischende Geräusch des Siedens geht dabei in ein ruhigeres Blubbern über. Schreibe die Zeit auf das Versuchsblatt:
Gemessene Heizdauer: __________ Sekunden
Fußnoten
- [1] Die elektrische Energie kann man in Joule angeben. Um zu berechnen, wie viel elektrische Energie in jeder Sekunde in den Wasserkocher gelangen, liest man die elektrische Leistung des Wasserkochers auf seinem Typenschild ab. Typische Werte liegen zwischen 800 Watt und 2000 Watt. Die Wattzahl sagt anschaulich, wie viele Joule in jeder Sekunde in Wärme umgewandelt werden.
- [2] Der Heizstab ist manchmal sichtbar in einem Wasserkocher, oft aber auch unsichtbar im Boden angebracht. Der Heizstab wandelt die elektrische Energie quasi verlustfrei, das heißt vollständig um in elektrische Energie. Die Formel ist: Leistung in Watt mal Zeit in Sekunden gibt die Energiemenge in Joule, die in der betrachteten Zeit umgewandelt wurden. Siehe auch Heizleistung ↗
- [3] Unter Physiker und Thermodynamikern ist es umstritten, ob man Wärme als eine Form der Energie betrachten darf. Für den Teewasserkochversuch hier macht man damit aber keinen Fehler. Siehe auch Wärme ↗
- [4] Wie viele Joule in jeder Sekunde umgesetzt werden ist wieder die Heizleistung. Die Angabe findet man meist irgendwo an dem Gerät. Typisch sind zum Beispiel 800 Watt [W] oder auch 2000 UI [UI steht quasi für Watt]. Siehe auch Elektrische Leistung ↗
- [5] Flüssiges Wasser benötigt rund 4,2 Joule Energie, um einen Milliliter (was in etwa auch ein Gramm ist), um einen Grad Celsius zu erwärmen. Damit benötigt man für einen Liter rund 4200 Joule, um ihn um ein Grad zu erwärmen. Will man Wasser von Raumtemperatur (etwa 20 °C) zum Kochen bringen (100 °C), muss man also 80 mal die Energiemenge von 4200 Joule aufbringen. Siehe auch Spezifische Wärmekapazität von Wasser [4,2 J/(kg·K)] ↗
