7. – 12. Schuljahr

Claudia Bohrmann-Linde und Simon Kleefeldt

Der Wärme auf der Spur

Einsatz von Wärmebildkameras bei chemischen Schulversuchen

Ob bei der Ermittlung der Schmelztemperatur eines Stoffes, einer Destillation, der Betrachtung endothermer oder exothermer Lösevorgänge oder der Neutralisationswärme Temperaturänderungen bei Stoffveränderungen und Stoffumsätzen werden im Chemieunterricht häufig und in der Regel mittels einfacher Thermometer gemessen. Wärmebildkameras bieten hier eine sinnvolle Ergänzung bzw. teils ganz neue Einblicke in ablaufende Prozesse. Aufgrund sinkender Kosten halten Wärmebildkameras (WBK) zunehmend Einzug in den naturwissenschaftlichen Unterricht. Sie wurden in der Vergangenheit insbesondere im Fach Physik eingesetzt [1 – 2].
Auch im Chemieunterricht können einfache Wärmebildkameras den Bereich des Beobachtbaren erweitern und liefern daher quer durch die gesamte Schulchemie eine Ergänzung im Experimentalunterricht [3 – 5]. Aufgrund gewisser Einschränkungen (z.B. Kalibrierfähigkeit, jeweilig erfasster Temperaturbereich) erlauben Beobachtungen mittels einfacher Wärmebildkameras insbesondere qualitative Hinweise auf ablaufende Prozesse. Sie können mit dieser Einschränkung als Erweiterung im Bereich der Messtechnik betrachtet werden. Im Folgenden werden Hinweise zu schultauglichen Wärmebildkameras gegeben, eine kostenlose App vorgestellt und eine Integration in die Schulchemie vom Anfangsunterricht bis in die Oberstufe sowie Tipps zum Experimentieren mit der WBK beschrieben.
Potenziale und Herausforderungen
Anders als das menschliche Auge sind die Sensoren von Wärmebildkameras in der Lage, IR-Strahlung zu detektieren. Mit einer Wärmebildkamera wird dann in Echtzeit das Temperaturprofil eines erfassten Beobachtungsbereichs in Form einer Falschfarbendarstellung, dem sog. Thermogramm, abgebildet. An dessen Rand ist eine Temperaturskala integriert, sodass das Thermogramm leicht lesbar ist. Anders als bei Messungen mit einem Temperaturfühler oder Thermometer kann mittels Wärmebildkamera die Temperatur einer Probe an vielen Ortspunkten gleichzeitig und damit im Bild ein Temperaturprofil einer Oberfläche oder im Video ein Temperaturverlauf beim Erwärmen oder Abkühlen von Proben betrachtet werden. Im Gegensatz dazu ist beim Einsatz eines Kontaktthermometers für jeden Messpunkt eine neue Messung durchzuführen oder ein weiteres Gerät zu benutzen. Die Darstellung der Messwerte in Zahlenwerten bedeutet zudem eine größere Abstraktion. Die deutlich größere Menge an Messwerten stellt jedoch auch einen Nachteil dieser Messmethode dar. So ist bei jeder Messung der darzustellende Temperaturbereich zu wählen. Bei der Aufnahme von großen Temperaturbereichen sind kleine Temperaturveränderungen nicht immer gut erkennbar.
Für den Chemieunterricht bedeutet das Sichtbarmachen der Temperaturverteilung in einer Probe mittels eines Thermogramms einen erweiterten Zugang zu den Abläufen während einer chemischen Reaktion, z.B. während einer Neutralisationsreaktion oder einer anderen exotherm verlaufenden Reaktion. Vorteilhaft ist die Konservierung der Beobachtung anhand von Bildern oder Videos, die von Lehrkräften und Lernenden auf ihren eigenen Endgeräten gespeichert oder als Daten geteilt werden können. Diese sind für Schülerinnen und Schüler auf qualitativer Ebene leicht zugänglich und zu interpretieren.
Man sollte sich aber bewusst sein, dass bei der Nutzung der hier beschriebenen einfachen Anwendung Einschränkungen hinsichtlich einer quantitativen Betrachtung von Prozessen bestehen. Zudem sollten beim Platzieren der Kamera zur Beobachtung von Experimenten gewisse Aspekte, wie Reflexion des beobachteten Gegenstands selbst bzw. eines benachbarten Objekts sowie IR-Intransparenz von Glas, berücksichtigt werden. Auch der durch die jeweils eingesetzte Kamera detektierbare Bereich der Wärmestrahlung unterliegt den entsprechenden Grenzen des verbauten Sensors.
Technische Voraussetzungen
Benötigt werden eine...

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