Ponyo's Heat tube

Dieser Artikel handelt vom Projekt "Ponyo's Heat tube" von Oleg Solovyev (18), Nikolaj Sankov (16) und Robin Schulze-Tammena (17). Im Schuljahr 2022/23 haben wir das 13. Projekt des German Young Physicists' Tournament (GYPT) "Ponyo's Heat tube" im Rahmen des PhyZ Kurses am Herder-Gymnasium bearbeitet.

Thema

Die ins Deutsche übersetzte Aufgabenstellung des 13. Projektes des GYPT 22/23 lautet wie folgt:

"A glass tube with a sealed top is filled with water and mounted vertically. The bottom end of the tube is immersed in a beaker of water and a short segment of the tube is heated. Investigate and explain the periodic motion of the water and any vapour bubbles observed."

Ein von oben verschlossenes Glasrohr wird mit Wasser gefüllt und senkrecht aufgestellt. Anschließend wird das untere Ende in ein mit Wasser gefülltes Becherglas getaucht. Wird nun ein kurzes Segment des Rohrs erhitzt, so bilden sich in periodischen Abständen Gasblasen, die nach sehr kurzer Zeit wieder kollabieren. Diese Blasen füllen nahezu den gesamten Querschnitt des Rohres aus und sind mehrere Zentimeter lang. Dies führt zu einem periodischen Austreten von Wasser aus dem offenen Ende, welches anschließend beim Kollabieren der Blase wieder zurückgezogen wird.

Der Durchmesser des Glasrohrs ist von hoher Bedeutung, da sich nur bei bestimmten Rohrdurchmessern solche Blasen bilden können. Ist der Durchmesser des Rohrs zu groß, entsteht ein Strom, in welchem die Gasblasen am Wasser vorbeiströmen können. Dieses Phänomen soll im Rahmen des in unserer Schule angeboten Zusatzkurs Physik untersucht werden.

Theorie

Hier stehen die grundlegenden Erkenntnisse, die in Eurem Projekt erzielt wurden.

Aufbau

Mit diesem Aufbau wurden Eure Messungen durchgeführt. Dieser Abschnitt lebt von guten(!) Fotos bzw. Skizzen.

Anfängliche Aufbauten, die später verworfen wurden, können erwähnt werden aber müssen ausgiebig betrachtet werden.

Daten

Hier kommen keine Rohdaten sondern möglichst gut ausgewertete Daten rein - Graphen, Ausgleichskurven, etc. mit Fehlerbetrachtung!

Fazit

Prozessbeschreibung

Durch Erhitzen des Wassers bilden sich anfangs kleine Gasbläschen (Abb.1), bis eine Gasblase so groß wird, dass sie nahezu den gesamten Querschnitt des Rohres ausfüllt (solch eine Gasblase wird auch als Taylor Bubble bezeichnet). Es bildet sich ein dünner Wasserfilm zwischen der Blase und der Innenwand des Rohrs. [7] (Abb.2) Dieser Wasserfilm wird von der Rohrinnenwand erhitzt und verdampft. Der Druck in der Blase steigt, bis der gesamte Wasserfilm verdampft ist. Die Blase dehnt sich daher aus und verdrängt Wasser von der erhitzten Stelle aus dem offenen Ende des Rohrs, bis der Umgebungsdruck dem Druck in der Gasblase entspricht. (Abb.3) Dem System wird nun weniger Energie hinzugegeben, da der Wärmeübertragungskoeffizient von Gasen kleiner ist, als der von Flüssigkeiten. Weiterhin kondensiert Wasserdampf an den nicht erhitzten Stellen des Glases und an den Phasengrenzen zum abkühlenden Wasser. Dies führt zu einer Drucksenkung in der Gasblase, weshalb die Blase kollabiert. Hierbei wird nun kaltes Wasser aus dem Becherglas durch das offene Ende hineingezogen, was zu einer weiteren Abkühlung des Systems führt. Dann wird das Wasser wieder durch die Wärmequelle erhitzt und der Vorgang beginnt von neuem.

"Bild" (Prozessbeschreibung)

Energiebilanz

Um eine Energiebilanz formulieren zu können, ist von besonderer Wichtigkeit, den Energieinput und den Energieoutput des Systems quantifizieren zu können. Energie geben wir durch den angeschlossenen Heizdraht hinzu, wie beim Aufbau gezeigt. Energie geht in Form von Wärmestrahlung und Wärmeleitung verloren.

Energieverlust

Der Energieverlust durch Wärmeleitung kann mit der Formel für Wärmeübertragung quantifiziert werden, hierbei sind T₁, T₂ die Temperaturen der beiden Körper und der Umwelt zwischen welchen Wärme übertragen wird.

Erfolge

• 1. Preis Regionalwettbewerb Jugend Forscht
• 3. Preis Landeswettbewerb Jugend Forscht
• 1. Platz BeGYPT (Robin Schulze-Tammena)
• 1. Platz Teamwertung BeGYPT (Robin Schulze-Tammena, Fabian Schmidt)

Quellen

Eure wichtigsten verwendeten Quellen mit Verweisen im Text!

Danksagung

Wir bedanken uns bei:

• Herrn Ebert für ...
• Anja Dücker für ...