Herausgegeben am Standort Kassel, einer Abteilung der Pädagogische Forschungsstelle beim Bund der Freien Waldorfschulen Wagenburgstraße 6 · 70184 Stuttgart
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© 2020 edition waldorf
Stuttgart, 1. Auflage 2020
Print: ISBN 978-3-949267-09-3
ePub: ISBN 978-3-949267-09-3
ePDF: ISBN 978-3-949267-10-9
Translated by Charles Gunn, Falkensee
Satz: Pädagogische Forschungsstelle Kassel
Druck: Online-Druck GmbH & Co. KG, Krumbach
Bilder auf der Umschlagseite: pexels/Sebastian Beck · 123RF/Steven Coling
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über www.dnb.de abrufbar.
Das vorliegende Heft wird zusammen mit dem Dampfheber der Lehrmittelabteilung des Bildungswerkes Beruf und Umwelt ausgeliefert, kann aber auch separat bezogen werden. Es dient einerseits als Versuchsanleitung. Andererseits ist es Band 2 einer Reihe zum Physikunterricht der 9. Klasse. Entsprechend enthält Teil I des Heftes neben Versuchsanleitung zum Dampfheber zugleich didaktische Hinweise und zeigt Möglichkeiten auf, wie der Versuch in die Physikepoche der 9. Klasse Freier Waldorfschulen integriert werden kann. Teil II stellt einen Unterrichtsgang vor, der die Erscheinungen am Phasenübergang Wasser/Wasserdampf schrittweise behandelt, und an dessen Ende der Dampfheber-Versuch die Behandlung der Dampfmaschine Newcomens vorbereitet.
Die Entwicklung des Versuchs wurde von der Pädagogischen Forschungsstelle beim Bund der Freien Waldorfschulen am Standort Kassel getragen. Viele didaktische Hinweise beziehen sich auf den phänomenologischen Unterrichtsansatz der Waldorfpädagogik. Er wird, wie auch die Phasengliederung des Epochenunterrichtes in der Waldorfpädagogik, als bekannt vorausgesetzt.
Erläuterungen zu der allgemeindidaktischen Dimension dieses Ansatzes finden sich im Handbuch Waldorfpädagogik und Erziehungswissenschaft – Standortbestimmung und Entwicklungsperspektiven (Sommer 2016), seine physikdidaktische Spezifizierung im Handbuch Oberstufenunterricht an Waldorfschulen (Sommer 2018 a).
Lieferumfang:
Zusätzlich erforderlich:
Hinweise zur Aufbewahrung
Alle blanken Teile des Zylinders und Kolbens müssen mit Öl überzogen aufbewahrt werden: Nach dem Versuch trennt man Zylinder und Kolben und lässt sie gut trocknen. Während man unter Verwendung eines gängigen Maschinen- oder Feinmechaniköls die Kolbenstange und den Kolben (mit Ausnahme der Dichtlippen) mit einem Lappen einölt, lässt man beim Zylinder an dessen oberem Rand ringsherum aus der Ablassdüse etwas Öl laufen, setzt anschließend mit zunächst leicht schräg gehaltenem Kolben die Dichtlippen sorgfältig ein und bewegt dann bei geöffnetem Ablasshahn und verschraubtem Zylinderkopf den Kolben mehrmals nach unten und oben.
Gefahrenhinweise
Quetsch- und Verletzungsgefahr
Kippgefahr
Verbrennungsgefahr
This booklet is delivered together with the steam jack of the teaching material department of the educational center »Bildungswerk Beruf und Umwelt« in Kassel, but can also be ordered separately. It serves as an experimental guide. On the other hand, it is Volume 2 of a series on Physics Grade 9 lessons. Correspondingly, Part I of the booklet, in addition to experimental instructions on the steam jack, also provides didactic tips and points out ways in which the experiment can be integrated into the physics main lessons of the 9th grade of Waldorf schools. Part II introduces a lesson that treats the phenomena occurring at the water / steam phase transition in a step-by-step manner. At the end of this, the steam jack experiment prepares for the treatment of the Newcomen steam engine.
The development of the experiment was supported by the Pedagogical Research Center at the Federation of Steiner Waldorf Schools in Kassel. Many didactic references refer to the phenomenological teaching approach of Waldorf education. The reader is assumed to be familiar with this as well as the three-phase structure of main lesson teaching in Waldorf education.
Explanations on the general didactic dimension of this approach can be found in the paper The general didactics of Waldorf education and Klafki’s approaches in educational theory – Connections and divisions (Sommer 2014), its physics didactic specification in Teaching Physics Phenomenologically (Sommer 2019).
Included in the shipment:
Additionally required:
Instructions for storage
All bare parts of the cylinder and piston must be kept covered with oil: After the experiment, separate the cylinder and the piston and let them dry well. To lubricate the piston rod and the piston (with the exception of the sealing lips): use ordinary machine or precision mechanics oil applied to a rag. A little oil is allowed to run around the cylinder at its upper edge around the drain nozzle, then with the piston held in a slightly tilted position, carefully insert the sealing lips and finally, with the drain cock open and the cylinder head screwed on, move the piston up and down several times.
Hazard warnings
Danger of crushing
Danger of tipping over
Danger of burning
Der hier vorgestellte Demonstrationsversuch bereitet die Behandlung der Dampfmaschine Newcomens im Unterricht vor und setzt voraus, dass zuvor die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur von Wasser im Unterricht behandelt wurde.
Das nachfolgende Kapitel fasst den Aufbau, eine mögliche Durchführung, die zugehörigen Beobachtungen und Aspekte für die Auswertung des Versuches zusammen. Es schließen sich didaktische Hinweise in einem Folgekapitel an. Anschließend wird im zweiten Teil des Heftes ein Unterrichtsgang vorgeschlagen, der die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur thematisiert und eine Behandlung des Dampfhebers samt der Dampfmaschine Newcomens vorbereitet.
The experiment presented here prepares the treatment of the steam engine of Newcomen in the classroom and assumes that previously the pressure dependence of the boiling point of water was treated in the classroom.
The following chapter includes the experimental setup, a possible implementation, the associated observations and selected aspects for the evaluation of the experiment. This is followed by didactic references to a follow-up chapter. Subsequently, an instructional course is proposed in the second part of the booklet, which thematizes the pressure dependence of the boiling temperature and prepares a treatment of the steam jack including Newcomen’s steam engine.
Im Zentrum des Versuchsaufbaus steht die Verbindung von Dampfheber und Dampfkessel über den Dampfschlauch (Abbildung 1). Dies sollte für alle Schüler*innen gut sichtbar sein. Im Laufe des Versuches muss der Dampfheber über einen Wasserschlauch an den Kaltwasser-Auslaufhahn angeschlossen werden können. Unter dem Dampfkessel gewährleisten zwei Teclubrenner mit rauschender Flamme einen hinreichend intensiven Heizvorgang.
Abb. 1 Aufbau des Versuchs mit Dampfheber, Wanne unter dem Ablasshahn des Dampfhebers, Dampfschlauch, Dampfkessel, Vierfuß und Teclubrennern.
Fig. 1 Construction of the experiment with steam jack, pan under the steam jack’s drain cock, steam hose, steam boiler, four-foot and Teclu burners.
Wasserschlauch
Man positioniert den Dampfheber so, dass der an den Kaltwasser-Auslaufhahn angeschlossene Wasserschlauch bis zum Anschlussstutzen des Dampfhebers reicht. Beim Ein- und Ausklappen der Dampfheber-Füße achtet man auf die Quetschgefahr und stellt sicher, dass der Dampfheber nicht kippen kann. Nun überprüft man kurz, indem man die Abdeckungsmutter vom Stutzen entfernt, ob sich die Überwurfmutter am Ende des Wasserschlauches problemlos auf das Gewinde des Anschlussstutzens schrauben lässt.
Dann trennt man Wasserschlauch und Dampfheber wieder und verschließt den Anschlussstutzen mit der Abdeckmutter. Die Abdeckmutter dreht man per Hand gut, aber nicht allzu fest, so dass man sie im weiteren Verlauf des Versuches, wenn der Zylinder heiß ist, ohne allzu großen Kraftaufwand erneut aufdrehen kann. Durch die Dichtung im Innern der Abdeckmutter ist der Dampfheber hinreichend dicht verschlossen.
Indem man anschließend durch den Schlauch kurz Wasser laufen lässt und der Schlauch dann am Kaltwasser-Auslaufhahn angeschlossen bleibt, wird gewährleistet, dass später, wenn im Fortgang des Versuches Wasser in den Dampfheber eingespritzt werden soll, der Schlauch bereits mit Kühlwasser gefüllt ist.
Dampfheber
Vom Zylinder des kippstabil stehenden Dampfhebers wird der Zylinderkopf abgeschraubt und bei geöffnetem Auslasshahn der Kolben aus dem Zylinder gezogen. So kann man den Schüler*innen nicht nur den Kolben und den Innenraum des Zylinders zeigen, sondern zugleich überprüfen, ob beide Komponenten geölt sind. Ggf. holt man das Einölen nach, wie es in den Hinweisen zur Aufbewahrung im vorangehenden Kapitel beschrieben ist.
Unter den Auslasshahn positioniert man eine Wanne, in welche im Fortgang des Versuches öliges Wasser laufen wird. Schließlich entfernt man die Abdeckmutter vom Anschlussstutzen für den Dampfschlauch und verbindet mit dem Dampfschlauch Dampfheber und Dampfkessel. Die Position des Dampfkessels wird dafür so gewählt, dass der Dampfschlauch weder stark verdrillt noch stark verformt ist.
Dampfkessel
Auf die Chemieplatte wird der Dampfkessel samt des zugehörigen Vierfußes so gestellt, dass der Dampfschlauch, welcher den Dampfauslasshahn im Deckel des Dampfkessels mit dem Dampfheber verbindet, nur unter geringer Spannung steht. Dadurch gewährleistet man insbesondere die Kippstabilität des Dampfkessels.
Anschließend platziert man auf die Chemieplatte die beiden U-Kerne und achtet darauf, dass die Teclubrenner mit den eingeschraubten Rundmagneten des Befestigungssets stabil und im richtigen Abstand zum Kesselboden auf den U-Kernen stehen (Abbildung 2). Über Sicherheitsgasschläuche mit Muffen werden die Brenner mit dem Gasanschluss des Unterrichtsraumes verbunden, nachdem man sich vergewissert hat, dass die Ventile der Brenner geschlossen sind.
Abb. 2
Die Teclubrenner stehen durch die eingeschraubten Rundmagneten des Befestigungssets stabil auf den U-Kernen.
Fig. 2
The Teclu burners stand stable on the U-cores thanks to the screwed-on round magnets of the mounting set.
Der Deckel des Dampfkessels wird gelöst (ggf. hierzu auch den Dampfschlauch vom Dampfheber lösen) und der Kessel ca. 10 cm mit fast siedendem Wasser gefüllt – so kann die Aufheizzeit im Fortgang des Versuches reduziert werden. Nachdem alle Schüler*innen den Füllstand des Wassers in Augenschein genommen haben, wird der Deckel fest verschraubt. Dafür zieht man abwechselnd gegenüberliegende Spannbügel paarweise an. Musste man den Dampfschlauch beim Abnehmen des Deckels lösen, so wird dieser wieder wie oben erläutert montiert (Abbildung 3).
Nun nimmt man den Dampfkessel mit geschlossenem Dampfhahn in Betrieb – maßgeblich hierfür ist allein seine Betriebsanweisung. Insbesondere achtet man darauf, dass die Funktion des verstellbaren Sicherheitsventils im Fortgang des Versuches überprüft wird. Dafür wird es zunächst auf 1 Atü eingestellt. Sobald es beim Erhitzen des Kessels mit den beiden Teclubrennern durch einen schrillen Pfeifton anschlägt, erhöht man ihren Schwellwert auf 2 Atü. Signalisiert der Pfeifton bei 2 Atü ein weiteres Mal, dass das Ventil funktioniert, positioniert man in einem letzten Schritt das Ventil bei 3 Atü.
Wenn das Sicherheitsventil anschlägt, überprüft man am Manometer den am Ventil eingestellten Wert auf Plausibilität. Sollten sich hier große Abweichungen ergeben, bricht man sofort den Versuch ab, hierfür werden die Brenner umgehend ausgestellt und im Anschluss der Wasserdampf aus dem Kessel abgelassen (siehe Kapitel 2.3).
At the center of the experimental setup is the connection of steam jack and steam boiler via the steam hose (Figure 1). This should be clearly visible to all students. In the course of the experiment, the steam jack must be able tobe connected via a water hose to the cold water faucet. Under the steam boiler two Teclu burners ensure with their intense flame a sufficiently intense heating process.
Water hose
Position the steam jack so that the water hose connected to the cold water faucet reaches the connection port of the steam jack. When folding the steam jack feet in and out, beware of getting something stuck under them and make sure that the steam jack cannot tip over. Also check briefly, by removing the cover nut from the nozzle, whether the nut at the end of the water hose can be easily screwed onto the thread of the connecting piece.
Then you separate the water hose and steam jack again and close the connecting piece with the cover nut. The cover nut should be turned securely by hand, but not too tight, so you can unscrew it in the further course of the experiment, when the cylinder is hot, without too much effort. The seal inside the cover nut keeps the steam jack sufficiently tight.
By then running water briefly through the hose while keeping the hose connected to the cold water faucet, you can make sure that later, when water is to be injected into the steam jack in the course of the experiment, the hose is already filled with cold water.
Steam jack
Make sure the steam jack sits stably and cannot tilt over. Then unscrew the cylinder head from the cylinder of the steam jack and, with the drain cock open, pull the piston out of the cylinder. In this way you can not only show the students the piston and the interior of the cylinder, but also check whether both components are oiled. If necessary, the oiling is repeated as described in the storage instructions in the previous chapter.
Under the drain cock position a tray, into which in the course of the experiment oily water will run. Finally, remove the cover nut from the connecting nozzle of the steam jack and connect the steam jack and steam boiler with the steam hose. The position of the steam boiler is chosen so that the steam hose is neither strongly twisted nor deformed.
Steam boiler
The steam boiler and its four-legged stand are placed on the protective steel plate so that the steam hose, which connects the steam outlet cock in the lid of the steam boiler to the steam jack, is in a relaxed position. This ensures in particular the stability of the boiler against tipping over.
Then place the two U-cores on the chemistry plate and make sure that the Teclu burners are stable with the round magnets of the mounting set screwed in and are at the correct distance from the bottom of the boiler on the U-cores (Figure 2). Safety gas hoses with sleeves connect the burners to the gas connection in the classroom, after making sure that the valves of the burners are closed.
The lid of the steam boiler is loosened (if necessary, also loosen the steam hose from the steam jack) and the boiler is filled with almost boiling water to approx. 10 cm – so the heating time can be reduced in the course of the experiment. After all students have observed the level of the water, the lid is screwed tight. For this you alternately pull opposing tension clamps in pairs. If you had to loosen the steam hose when removing the cover, re-assemble this as explained above (Figure 3).
Now you activate the steam boiler with a closed steam tap – follow the operating instructions supplied with the boiler. In particular, take care to ensure that the function of the adjustable valve is checked in the course of the experiment. For this, the valve is initially set to 1 atm. As soon as it lets »strike« – that is, lets out a shrill whistling sound – after the boiler is heated with the two Teclu burners, increase its threshold to 2 atm. When the whistling tone at 2 atm signals once again that the valve is working, the valve is positioned at 3 atm in the last step.
When the safety valves strike, check the manometer for the value set on the valve for plausibility. If there are major deviations, immediately stop the experiment, the burner should be immediately turned off and then the steam released from the boiler (see Chapter 2.3).
Abb. 3 Der Deckel des Dampfkessels ist fest verschraubt. Links: Thermometer, hinten: Manometer, in der Mitte: Sicherheitsventil mit Einstellung 2 Atü, vorne: zweites Sicherheitsventil.
Fig. 3 The lid of the boiler is screwed tight. Left: thermometer, rear: manometer, in the middle: safety valve with setting 2 atm, front: second safety valve.
Wenn der verschlossene Dampfkessel mit abgesperrtem Dampfhahn in Betrieb genommen und damit das eingefüllte Wasser mit den beiden Teclubrennern erwärmt wird, so steigt mit zunehmendem Verdunsten und schließlich Verdampfen des Wassers der Druck des Wasserdampfes im Kessel. Dadurch erhöht sich der Siedepunkt des Wassers. Druck und Temperatur steigen im Kessel annähernd gemäß der Dampfdruckkurve von Wasser an.
Dem Aufheizen des Kessels folgen das Vorwärmen und Entlüften des Dampfhebers, bevor sich der Hebevorgang im engeren Sinne anschließt. Durch Einspritzen von Kühlwasser kann zusätzlich der atmosphärische Luftdruck demonstriert und schließlich kann beim Ablassen des Dampfes die enorme Volumenzunahme von Wasser beim Verdampfen gezeigt werden.
Aufheizen des Kessels
Das Wasser im Kessel wird mit beiden Teclubrennern erhitzt (Zuluft durch gekippte Fenster gewährleisten). Der Deckel ist fest verschlossen, der Dampfhahn abgesperrt. Druck und Temperatur steigen an, wobei erfahrungsgemäß die ersten zehn Minuten die Temperaturanzeige deutlich hinterherhinkt, ihre Werte sind bezogen auf die angezeigten Druckwerte zu niedrig.
Es liegt nahe, in regelmäßigen Zeitabschnitten mit den Schüler*innen die Druck- und Temperaturwerte abzulesen und tabellarisch zu notieren.
Bei einem Druck von 1 Atü muss – wie oben beschrieben – das verstellbare Sicherheitsventil anschlagen. Es wird auf 2 Atü eingestellt, man erhitzt weiter, bis es wiederum anschlägt und erhöht seinen Wert auf 3 Atü. Bei nicht plausiblem Verhalten von Druckanzeige und Sicherheitsventilen bricht man den Versuch umgehend ab (siehe oben).
Oberhalb eines Druckes von 2 Atü beginnt man, während der Kessel weiter aufheizt, den Dampfheber vorzuwärmen und zu entlüften.
Vorwärmen und Entlüften des Dampfhebers