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Physik » Thermodynamik & Statistische Physik » Konzeption - Schulexperiment: Treibhauseffekt
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Ausbildung Konzeption - Schulexperiment: Treibhauseffekt
lorebuch
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Themenstart: 2020-02-24


Hallo miteinander!
Ich Schreibe zum 1. mal in dieses Forum - ich hoffe mein Anliegen ist hier richtig platziert.
Ich erarbeite gerade mit einem Freund einen Schul-Workshop bei dem Klimawandel das Hauptthema ist. Um das ganze interessanter zu gestalten möchte ich ein Experiment durchführen, dass den Treibhauseffekt demonstrieren soll. Der Aufbau soll wie im Bild unten aussehen. In den Plexiplasbehälter wird CO2 gefüllt und das soll den Temperatur-Messwert am Zeiger verändern. Dieses Experiment gibt es zwar zu kaufen aber dafür muss man satte 1700€ auf den Tisch legen, was mein Budget um ein vielfaches überschreitet. Da hilft nur eins: selbst basteln.
Dazu habe ich auch schon ein Konzept: Die Wärmelampe sollte kein Problem sein, einfach eine aus einem Tiergeschäft besorgen. Den Ring um den Globus, der die Wärme leitet, hätte ich aus Kupfer oder Alu drehen lassen (kann mir nicht vorstellen, dass man sowas im Handel bekommt). Den CO2 Behälter einfach aus Plexiglasscheiben zusammenkleben. Das einzige, was mir wirklich Sorgen bereitet ist die Temperaturmessung. Mein erster Gedanke war es, das messen elektronisch zu lösen und zwar mit einem IR-Thermometer-Module von Adafruit. Hab dann aber beim Datasheet vom Sensor gesehen, dass er mit einer Genauigkeit von 0,5°C misst, was mir für diese Anwendung recht ungenau erscheint. Und das bringt mich zum Knackpunkt meines Problems: Ich habe überhaupt keine Ahnung von der Größenordnung der Temperaturänderung. Daher kann ich auch nicht wissen wie genau die Messung sein soll. Kann jemand einschätzen in welchem Bereich sich die Temperaturänderung abspielen wird und eine Messmethode empfehlen?
Vielen Dank und LG
lorebuch



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Dixon
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.1, eingetragen 2020-02-25


Hallo lorebuch und Herzlich Willkommen auf dem Matheplaneten 😄

Bitte schreibe mal, wer das kommerzielle Experiment anbietet und am besten einen Link zu einer Beschreibung desselben. Ich habe den Eindruck, da stimmt was nicht an Deiner Beschreibung der Funktionsweise. Außerdem kann man so Hinweise erhalten, wie man das Experiment am besten "klont".
Meiner Meinung läuft das so:
Links ist eine gewöhnlicher Wärmestrahler aufgestellt. Dieser strahlt am besten ein Licht aus, das einem Schwarzen Körper mit der Temperatur der Sonnenoberfläche nahe kommt - eine 08/15-Halogenlampe sollte genügen. Am besten so ein Ding mit Reflektor.
Der Ring simuliert nichts weiter als die Absorption des Lichts und die daraus folgende Umwandlung in Phononen - er wird warm. Auf der anderen Seite wird mal mit und mal ohne Küvette was gemessen: Und hier wird es interessant. Es geht gar nicht um die Temperatur, sondern um die Strahlung. CO2 läßt weniger Strahlung durch, und das soll gezeigt werden. Das könnte rechts also eine IR-empfindliche Photodiode sein.
Den Treibhausefekt an sich kann man mit dem Aufbau gar nicht messen meiner Meinung nach. Das ganze Experiment ist nicht abgeschirmt, es gibt zuhauf Störeinflüsse durch Konvektion und Luftzug. Der Ring kann sich gar nicht mal mit und mal ohne CO2 aufheizen, wie es beim Treibhauseffekt der Fall ist.

Den Ring könnte man von einem Rohr absägen, wie groß der sein muß, hängt vom Globus ab. Aber der Globus ist eh nur Staffage (siehe oben).

Grüße
Dixon


-----------------
Wissen ist Nacht! (Grundsatz der Eydeetischen Philophysik)



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DrStupid
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.2, eingetragen 2020-02-25


2020-02-25 01:21 - Dixon in Beitrag No. 1 schreibt:
Außerdem kann man so Hinweise erhalten, wie man das Experiment am besten "klont".

Oder ob man es überhaupt klonen muss. Die erste Frage sollte sein, was das Exepriment konkret demonstrieren soll. Ich bin Deiner Meinung, dass das nicht der Treibhauseffekt sein kann. Wenn es lediglich um die Abschirmung der IR-Emission durch das CO2 in der Küvette geht, dann kann man sich den ganzen Hokuspokus mit Lampe und Erdkugel sparen und stattdessen eine möglichst einfache Wärmequelle hinstellen.



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lorebuch
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.3, vom Themenstarter, eingetragen 2020-02-25


Hallo Dixon, Hallo DrStupid!

Vielen Dank für eure aufschlussreichen Antworten! Verstehe nun besser was in dem Experiment überhaupt vor sich geht! Hier mal der Link zum Verkäufer, ist der 5. Artikel von oben.
www.demoex.ch/?Produkte
Auf der Seite ist sogar ein Demo-Video, habe ich gerade gesehen.

Und ja der Versuch soll scheinbar das Abschirmen von IR-Strahlung durch CO2 demonstrieren. (Das heißt mein Ansatz mit dem IR-Wärmesensor war sogar mehr oder weniger plausibel? Glückstreffer  :D)
Darauf basiert doch der Treibhauseffekt, oder nicht? Darauf, dass CO2 eine wärmedämmende Wirkung hat und deswegen weniger von der Wärmestrahlung in den Weltraum abstrahlt, sondern eben vom CO2 in der Atmosphäre gehalten wird. Somit wird der Effekt der dem Treibhauseffekt zugrunde liegt nachgestellt.

Zum ganzen Schnickschnack drum herum mit dem Globus und so: Das erhöht meiner Meinung nach den Herzeige-Faktor und macht das ganze greifbarer für die Schüler. Notwendig ist es natürlich nicht, aber es macht das ganze anschaulicher.

Zum Metallring: Ja das habe ich mir auch gedacht, einfach ein Stück von einem Metallrohr abzuschneiden. Hab aber dann die Wärmeleiteigenschaften von Eisen und Alu verglichen und festgestellt, dass Aluminium 3x besser Wärme leitet als Eisen. Ohne zu Wissen ob die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ausreichend wäre, habe ich mich für Alu oder Kupfer entschieden um auf Nummer sicher zu gehen.

Danke nochmal für die Hilfe
LG lorebuch



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Dixon
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.4, eingetragen 2020-02-26


Hallo lorebuch,

naja, "IR-Wärmesensor" trifft es vielleicht nicht so ganz. Mir ist übrigens eingefallen, das es wohl eher ein Photowiderstand ist, der als Detektor dient. Diese haben, je nach Zusammensetzung, eine Empfindlichkeit bis in den langwelligen IR-Bereich und wirken durch ihre Trägheit integrierend, d.h., nicht jeder Luftzug bringt den Zeiger zum wackeln. Außerdem sind sie recht empfindlich, es könnte sein, daß das Meßinstrument auf dem Bild ohne weitere Elektronik auskommt, das ist einfach ein Strommesser in Reihe zur Spannungsquelle und dem Photowiderstand. Aber: Könnte! Es muß nicht so sein; wie groß die erzeugten Effekte sind weiß ich nicht.
Ich glaube, die Wärmeleitfähigkeit ist weniger entscheidend als die Wärmespeicherfähigkeit. Gute Wärmeleitfähigkeit bedingt aber auch, daß es beim Experiment schneller geht, bis stabile Verhältnisse ein getreten sind. Man beginnt mit einem kalten Ring, der muß sich erstmal aufheizen, bis man überhaupt die Strahlung messen kann.

DemoEx GmbH in Produktbeschreibung schreibt:
Überraschender Soforteffekt, dem naiven Denken widersprechend: In die "Atmosphäre" eingegossenes CO2 stoppt die IR-Abstrahlung der "Erdoberfläche"

Das entspricht dem oben gesagten. Man mißt vom warmen Metall (aufgeheizt nur durch Licht) die Abstrahlung (der Detektor ist abgeschirmt und mit einem nur für IR durchlässigen Fenster ausgestattet). Man füllt CO2 ein und stellt fest, daß die Abstrahlung sinkt. Auch stellt man fest, daß die fehlende Abstrahlung nicht vom CO2 absorbiert wird, weil das Gas sonst wärmer würde und selbst strahlte. Also wurde sie reflektiert. Was das für die Erde mit ihrer abgeschlossenen Atmosphäre bedeutet ist klar.

Grüße
Dixon



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pzktupel
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Aus: Thüringen
Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.5, eingetragen 2020-02-26


Nur so ....

1. Die Erde ist kein Treibhaus , sondern ein offenes System zum Weltall
2. Der CO2-gehalt sollte im Experiment nicht 400ppm überschreiten, so wie es eben in der Natur zu finden ist.




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Pech in der Liebe , Glück im Verlieren !!!



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Ueli
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.6, eingetragen 2020-02-26


Die Umgebungsluft hat ja schon über 400ppM, wie soll man da noch etwas messen? Atmet jemand in der Nähe, so ist es schon mal das doppelte.

Es geht ja auch nicht um eine exakte 1:1 Übertragung der Welt in ein Experiment, sondern darum den einen Effekt zu demonstrieren.



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DrStupid
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.7, eingetragen 2020-02-26


2020-02-26 02:19 - Dixon in Beitrag No. 4 schreibt:
Auch stellt man fest, daß die fehlende Abstrahlung nicht vom CO2 absorbiert wird, weil das Gas sonst wärmer würde und selbst strahlte. Also wurde sie reflektiert.

Das Gegenteil ist der Fall. Die Strahlung wird nicht reflektiert, sondern vom CO2 absorbiert. Das erwärmt sich dabei und strahlt selbst Wärme ab. Allerdings bleibt seine Temperatur und damit auch die IR-Emission immer deutlich unter der des Metalls.



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DrStupid
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.8, eingetragen 2020-02-26


2020-02-26 10:21 - pzktupel in Beitrag No. 5 schreibt:
1. Die Erde ist kein Treibhaus , sondern ein offenes System zum Weltall

Da man den Stoffaustausch zwischen Erde und Weltraum getrost vernachlässigen kann, darf man die Erde als geschlossenes System betrachten. In dem Punkt unterscheidet sie sich nicht von einem Treibhaus.

2020-02-26 10:21 - pzktupel in Beitrag No. 5 schreibt:
2. Der CO2-gehalt sollte im Experiment nicht 400ppm überschreiten, so wie es eben in der Natur zu finden ist.

Dann müsste die Küvette aber auch ein paar Klimometer dick sein, so wie es die Atmosphäre eben in der Natur ist. Tatsächlich ist die Menge an Treibhausgas, die der IR-Strahlung im Experiment im Weg steht, auch bei Verwendung von reinem CO2 sehr viel kleiner als in der Natur.



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Bernhard
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.9, eingetragen 2020-02-26


2020-02-26 10:21 - pzktupel in Beitrag No. 5 schreibt:
Nur so ....

1. Die Erde ist kein Treibhaus , sondern ein offenes System zum Weltall
Doch, denn das ist der Grund dafür, daß es hier Nachts nicht eisig kalt ist und Tags glühend heiß. Die Athmosphäre und insbesondere das CO2 und das Ozon darin, sind dafür verantwortlich, daß 1. keine zu kurzwelligen (hefährlichen Sonnenstrahlen hereinkommen, aber auch die langewelligeren (Wärmestrahlung) nicht mehr (vollständig) herauskönnen. Das heizt das System auf und hält es auf einem Level, bei dem es sich leben läßt.

Eigentlich gehört ja auch noch die entsprechende Gegenprobe zu dem Experiment: Man sollte die Erde mit dem schwarzen Ring aus dem Weg nehmen und so zeigen, daß der Effekt eben nur mit der von warmen Körpern ausgehenden IR-Strahlung funktioniert, nicht dagegen mit der kurzwelligen, die sie aufgewärmt hat.

Viele Grüße, Bernhard


-----------------
"Wichtig ist, daß man nie aufhört zu fragen"
"Weisheit ist nicht das Ergebnis der Schulbildung, sondern des lebenslangen Versuches, sie zu erwerben"
Albert Einstein



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Dixon
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.10, eingetragen 2020-02-27


2020-02-26 21:32 - DrStupid in Beitrag No. 7 schreibt:
2020-02-26 02:19 - Dixon in Beitrag No. 4 schreibt:
Auch stellt man fest, daß die fehlende Abstrahlung nicht vom CO2 absorbiert wird, weil das Gas sonst wärmer würde und selbst strahlte. Also wurde sie reflektiert.

Das Gegenteil ist der Fall. Die Strahlung wird nicht reflektiert, sondern vom CO2 absorbiert. Das erwärmt sich dabei und strahlt selbst Wärme ab. Allerdings bleibt seine Temperatur und damit auch die IR-Emission immer deutlich unter der des Metalls.

Tatsächlich? Niedrigere Temperatur bedeutet auch niedrigere Abstrahlung, ich frage mich, ob das mit der Energieerhaltung paßt.
Das Prinzip ist mir klar, nicht alle von der Erde abgestrahlte Energie gelangt in den Weltall, sondern ein Teil wird vom wärmestrahlenden CO2 wieder zurückgesandt.

2020-02-26 21:48 - DrStupid in Beitrag No. 8 schreibt:
2020-02-26 10:21 - pzktupel in Beitrag No. 5 schreibt:
1. Die Erde ist kein Treibhaus , sondern ein offenes System zum Weltall

Da man den Stoffaustausch zwischen Erde und Weltraum getrost vernachlässigen kann, darf man die Erde als geschlossenes System betrachten. In dem Punkt unterscheidet sie sich nicht von einem Treibhaus.

Es gibt aber einen Energieaustausch.

2020-02-26 21:48 - DrStupid in Beitrag No. 8 schreibt:
2020-02-26 10:21 - pzktupel in Beitrag No. 5 schreibt:
2. Der CO2-gehalt sollte im Experiment nicht 400ppm überschreiten, so wie es eben in der Natur zu finden ist.

Dann müsste die Küvette aber auch ein paar Klimometer dick sein, so wie es die Atmosphäre eben in der Natur ist.

😁

2020-02-26 23:21 - Bernhard in Beitrag No. 9 schreibt:
Eigentlich gehört ja auch noch die entsprechende Gegenprobe zu dem Experiment: Man sollte die Erde mit dem schwarzen Ring aus dem Weg nehmen und so zeigen, daß der Effekt eben nur mit der von warmen Körpern ausgehenden IR-Strahlung funktioniert, nicht dagegen mit der kurzwelligen, die sie aufgewärmt hat.

Das geht nicht mit der verwendenten Energiequelle, eine Halogenlampe strahlt auch ordentlich im infraroten. Wenn man sowas zeigen möchte, müßte noch eine Art IR-Sperrfilter vor die Lampe.

Grüße
Dixon



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DrStupid
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.11, eingetragen 2020-02-27


2020-02-27 02:15 - Dixon in Beitrag No. 10 schreibt:
Tatsächlich? Niedrigere Temperatur bedeutet auch niedrigere Abstrahlung, ich frage mich, ob das mit der Energieerhaltung paßt.

Niedrigere Temperatur bedeutet erstmal nur geringere Intensität. Wenn Strahlung nur aus einer Richtung absorbiert, aber in alle Richtungen emittiert wird, kann die Abstrahlung trotzdem genauso groß sein. Tatsächlich muss sie das hier aber gar nicht, weil auch noch Wärmeleitung im Spiel ist.

2020-02-27 02:15 - Dixon in Beitrag No. 10 schreibt:
Es gibt aber einen Energieaustausch.

Genauso wie bei einem Treibhaus. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass bei der Atmosphäre die Wärmestrahlung blockiert wird und bei einem Treibhaus die Konvektion. Das Ergebnis ist aber gleich: Die Wärme kommt schlechter raus.



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