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Der Konvektionsversuch – The Convection Experiment PDF Drucken
NGO - Projekte und AG
Geschrieben von: Fabian Pusch und Finn Heinsohn/ Fotos: ESA, Sturm/NGO   

konvektion1Deutsche Version:

Auch in diesem Jahr nahmen wieder Lerngruppen des NGO an den ESA-Schülerexperimenten teil. Nach dem Artikel von Lukas Kragl über das erste Experiment („Dem Schaum auf der Spur“) berichten wir hier vom zweiten Versuch, bei dem unser Lehrer Herr Sturm an der Anleitung für den Schulversuch mitgearbeitet hat und der parallel auch vom niederländischen Astronauten André Kuipers an Bord der Weltraumstation ISS durchgeführt wurde.

Aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht wissen wir, dass Wärme (innere Energie) in der Natur und Technik eine entscheidende Rolle spielt. Die drei Hauptübertragungsarten von Wärme sind Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Wärmeströmung (Konvektion). Zum letzten Punkt haben wir in der AG „Na, Erde?“ (wie auch ein Teil der Klasse 8d im Physikunterricht) einen Versuch durchgeführt.

Aufbau der Konvektionsschleife

Wir haben dazu von der ESA einen Experimentierkasten zugesandt bekommen, der unter anderem eine Konvektionsschleife enthielt. Sie besteht aus vier quadratisch angeordneten, durchsichtigen und miteinander verbundenen Plastikröhrchen. Diese Apparatur ist mit Wasser gefüllt, in dem sich kleine Plastikpartikelchen befinden. Diese können durch ihre Bewegung Strömungen sichtbar machen. An einer Ecke des Konvektionsrings befindet sich eine kleine Kapsel, die eventuell störende Luftblasen aufnehmen kann.

Unser Experiment im Chemieraum

konvektion2Wir nahmen an, dass sich das Wasser durch Anfassen an einer Seite der Schleife genug erwärmen würde, um eine Kreislaufströmung in Gang zu bringen. Allerdings blieb der gewünschte Erfolg aus. Die Partikelchen bewegten sich auch bei längerem Halten nur kurzzeitig. So zogen wir eine stärkere Erwärmung in Erwägung. Auch mit heißem Wasser, selbst mit dem Gasbrenner erhitztem Wasser (Erwärmung) und Eiswasser (Abkühlung) war kaum etwas zu beobachten. Aus früheren Experimenten wussten wir, dass Wärme auch durch Infrarot (IR)-Strahlung übertragen werden kann. Da Strahlungsenergie ebenso besonders gut von schwarzen Oberflächen aufgenommen wird, haben wir die eine Seite der Schleife mit schwarzer Pappe verkleidet und IR-bestrahlt. Nach einigem Warten konnten wir positive Bilanz ziehen und sahen, dass sich die Partikel leicht in Strömungsrichtung im Kreis bewegten.

Das Experiment im All

Konvektion3André Kuipers hat das gleiche Experiment an Bord der ISS durchgeführt. Da die Schwerkraft im All nahezu Null ist, haben Dichteunterschiede als Antrieb für die Konvektion keine Bedeutung, was der Ausgang des Experiments im All bestätigt: Eine Konvektionsströmung kommt dort nicht in Gang.

Konsequenzen

Ein Heizsystem mit Wärmeströmung wie im Klassenraum funktioniert an Bord der ISS nicht. Nur die Wärmestrahlung kann dort genutzt werden, z.B. über IR-Heizstrahler. Glücklicherweise gibt es auf der Erde die Schwerkraft, sodass hier Heizkörper Wärmeströmungen nutzen können. Wichtig ist dabei, dass die Luft nur an einer Stelle erwärmt wird, um die Ausgleichsströmumg in Gang zu bringen. Meeres- und Luftströmungen finden ebenso auf der Erde statt, die wir z.B. zur Energiegewinnung nutzen können. Aber auch im Erdmantel bewegt sich Magma in Konvektionsströmungen.

Fabian Pusch und Finn Heinsohn sind Schüler der Jahrgänge 9 bzw. 10 und Teilnehmer der AG „Na, Erde?“.


English version:

This year again groups of our school took part in an ESA education project. After the article of Lukas Kragl about the first experiment (“Dem Schaum auf der Spur”, English: “On the trace of foam”) we tell you more about the second experiment which was done by André Kuipers aboard the international space station ISS in parallel. In some parts our teacher Mr. Sturm collaborated in the preparation of the ESA convection lesson.

From natural science lessons we know that heat (internal energy) is of relevance for technology and in nature. The three ways of heat transmission are heat radiation, heat conduction and heat flow (convection). For convection we did an experiment in our study group “Na, Erde?” (English: “What´s up, Earth?”). A part of class 8d did it also in its Physics lessons.

The construction of the convection loop

We got an experimental box from ESA, including the convection loop. It is made of four transparent plastic tubes which are disposed in a square. The loop is filled with water which contains little plastic particles. They move in the flow and show its direction. At one corner there is a little capsule in which potentially interfering air bubbles can run in.

Our experiment in school chemistry lab

We assumed that when we hold it in hand, the water would warm up enough at one side of the loop, to bring a flow into the loop. But the required effect did not occur. The particles just moved very slowly, and not long enough. So we thought we had to make the water inside warmer. We used a gas burner to warm up, and ice-water to cool down the loop, but it did not work very well. Following we considered to use an infrared (IR) lamp, because we know that IR-radiation does carry heat. We also covered one side of the loop with black paper, to get a better absorption of radiation.
And – after a short time we saw that the particles moved a little bit faster in one direction than before. Our result was positive, convection was there!

The experiment in space

André Kuipers did the same experiment aboard the ISS. Due to the lack of gravity, density differences do not play a role as cause for convection in space, which affirmed our conclusion: Convection does not work in space.

Conclusions

A heating system with heat flow like in a classroom would not work aboard the ISS. Only heat radiation (such as IR) works in space. Fortunately we have got gravity on Earth, so we can use heating systems based on convection. Therefore, it is important to heat the air only at one point to get the convection going. Also sea and air currents are driven by convection. We can use this as renewable energy sources. Even under our feet convection proceeds: Under the Earth’s mantle there is liquid magma moving in convection flows.

Fabian Pusch and Finn Heinsohn are students of class 9/10 and both are participants of the study group „Na, Erde?“ (“What´s up, Earth?”).

(12/22.7.2012)

 

Weblinks zum Thema:

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

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