Einsatz von Wärmebildkameras beim Experimentieren

Entwi­ckelt von Rebecca Tscheslog und Pauline Mundt

• Zielgruppen: Sekun­dar­stufe I und II
• Fächer: Chemie, Physik
• Themen­ge­biete: Energie­um­wand­lung, Latente Wärme, (endotherme und exotherme) Phasen­über­gänge, endotherme Lösungs­pro­zesse, (exotherme) Redox­re­ak­tionen, Sauerstoffkorrosion
  
• Ziel: Verständnis für die energe­ti­schen Aspekte von Prozessen fördern

Welche Mehrwerte beim Einsatz der Wärme­bild­ka­mera zum Tragen kommen ist abhängig vom Experiment:

Zu folgenden Experi­menten bieten wir im Download­be­reich Material an.

Experi­ment: Abküh­lungs­pro­zess und Nachbau einer Kältekompresse

• Die schritt­weise Abküh­lung der Umgebung ausge­hend von der Kompresse durch den endothermen Lösepro­zess wird visualisiert.
• Kurzzei­tige, hetero­gene Tempe­ra­tur­än­de­rungen beim Bewegen der Harnstoff­lö­sung in der Kompresse und beim Rühren in einer Petri­schale können beobachtet werden.
• Der Versuchs­aufbau wird durch die kontakt­lose Messung der Tempe­ratur vereinfacht.

Experi­ment: Kristal­li­sa­tion und Schmelzen eines Wärmekissens

• Es wird visua­li­siert, dass die Wärme­frei­set­zung, ausge­hend vom Kristal­li­sa­ti­ons­keim, mit dem Ausbreiten der Kristal­li­sa­ti­ons­front einher­geht (s. Abb. 2).
• Man kann beobachten, dass bei der Kristal­li­sa­tion ausge­hend vom Wärme­kissen Wärme an die Umgebung abgegeben und beim Schmelzen aufge­nommen wird.

Experi­ment: Wärme­frei­set­zung, Beschä­di­gung und Nachbau eines Wärmepflasters

• Mit einem einfa­chen Versuch kann beobachtet werden, dass die Wärme­frei­set­zung über das gesamte Pflaster ungleich­mäßig ist und bei Beschä­di­gung steigt.
• Es wird visua­li­siert, das Wasser für die Sauer­stoff­kor­ro­sion, dem Wirkprinzip des Pflas­ters, notwendig ist. Man kann verfolgen, dass Wärme dort freige­setzt wird, wo Wasser auf das Eisen­ge­misch trifft.

Experi­ment: Redox­re­ak­tion von Kupfer­sulfat und Eisen

• Man beobachtet eine Wärme­frei­set­zung genau in dem Bereich, wo das Eisen in die Kupfer­sul­fat­lö­sung taucht.
• Es wird visua­li­siert, das ausge­hend von diesem Bereich Wärme an die Lösung abgegeben wird und auch durch das Eisen­stück fließt.
• Der Versuchs­aufbau ist durch die kontakt­lose Messung einfach.

In den Handrei­chungen im Download­be­reich werden unter­schied­liche Experi­mente für den Chemie- und Physik­un­ter­richt beschrieben, bei denen die Wärme­bild­ka­mera einge­setzt wird:

• Abküh­lungs­pro­zess und Nachbau einer Kältekompresse,
• Kristal­li­sa­tion und Schmelzen eines Wärmekissens,
• Wärme­frei­set­zung, Beschä­di­gung und Nachbau eines Wärmepflasters,
• Redox­re­ak­tion von Kupfer­sulfat und Eisen.

Die Handrei­chungen beinhalten einen didak­ti­schen Kommentar, der z.B. aufzeigt, welche chemi­schen und physi­ka­li­schen Fachin­halte anhand der Experi­mente erworben werden können. Sie enthalten zudem eine Erklä­rung des fachli­chen Hinter­grundes und eine Versuchs­an­lei­tung mit einer Liste benötigter Materia­lien und Chemi­ka­lien, der Durch­füh­rung, Beobach­tung sowie eine Inter­pre­ta­tion dieser.

Für die Auswahl geeig­neter Experi­mente zum Filmen mit der Wärmebildkamera

• Darstel­lung nur von Tempe­ra­turen in einem bestimmten Kamera­mo­dell-spezi­fi­schen Bereich. Die meisten günstigen Modelle haben einen Bereich zwischen etwa ‑40°C und 400°C. Das Wärme­bild einer Brenner­flamme kann z.B. nicht erstellt werden.
• Für quanti­ta­tive Messungen, bei denen Genau­ig­keit entschei­dend ist, ist eine Wärme­bild­ka­mera weniger geeignet.

Für den Versuchsaufbau 

• Kein Glas zwischen Wärme­quelle und Kamera, wegen der Refle­xion der Wärme­strah­lung an Glasge­räten [4]! Z.B. Geräte mit einer großen Öffnung nutzen, wie Petri­schalen oder Becher­gläser (aus Plastik), und von oben filmen.
• Wärme­quellen aus der näheren Umgebung entfernen, wegen der Refle­xionen des Messge­gen­standes selbst und benach­barten Objekten!

Für die Messung 

• Distanz zum Versuch und zur Wärme­bild­ka­mera einhalten, wegen der eigenen Körper­wärme [4]!
• Durch die Anpas­sung der Skala muss eine Farbe nicht unbedingt über die gesamte Messung der gleichen Tempe­ratur zugeordnet sein, was leicht zu Missver­ständ­nissen führt. Korrektes Lesen der Wärme­bilder am besten zuvor mit den Schüler:innen üben [2].
• Bei der Aufnahme großer Bereiche sind kleine Tempe­ra­tur­ver­än­de­rungen nicht immer gut zu sehen, da die große Menge an Messwerten diese „verwi­schen“.

Für die Messung mit der Kamera “Seek Thermal Compact” 

• Für die meisten Versuche eignet sich der „Vollbild-Modus“ gut, da durch die klein­schrit­tige Skala eine Farbe einfa­cher einer Tempe­ratur zugewiesen werden kann.
• Möchte man auch das reale Bild neben dem Tempe­ra­tur­profil auf dem Bildschirm sehen, eignet sich der „Thermal+-Modus“.
• Für die meisten Versuche eignet sich die Farbpa­lette „Spectra“ durch ihre klare, intui­tive Farbabstufung.
• Möchte man die Schüler:innen von der intui­tiven Farbzu­ord­nung (Rot = warm, Blau = kalt) [5]  lösen, eignet sich die Farbpa­lette „Iron“.

Für die Nachbe­ar­bei­tung von Videoaufnahmen 

• Auf Zeitraffer bei Videos verzichten, denn die Beschleu­ni­gung der Aufnahmen führt durch die ständige Bildan­pas­sung zum Verwa­ckeln. Statt­dessen Sequenzen kürzen und neu zusam­men­fügen, wobei beachtet werden muss, dass ein Teil der Dynamik des Prozesses u.U. verloren geht.