Die Kerze unter dem Glas
So gehst du vor
- 1Teil 1: Wähle ein Glas und setze es über das brennende Teelicht. Lies die Brenndauer ab und übernimm sie in die Messreihe.
- 2Miss mindestens vier verschiedene Gläser. Beschreibe im Diagramm, wie die Brenndauer vom Volumen abhängt, und lass dir dann die Ausgleichsgerade zeigen.
- 3Achte auf den Sauerstoff-Sensor: Bei welchem Anteil erlischt die Flamme?
- 4Teil 2: Stelle das Glas in die Schale mit Wasser. Sag vorher, wie hoch das Wasser steigen wird, und prüfe es. Ändere dann die Zahl der Teelichter.
Versuch
Teelicht unter dem Glas
Zeitraffer: Die Animation läuft 4-mal so schnell, die Uhr zeigt die echte Zeit.
Einstellen
Volumen des Glases
1,00 LMessreihe: Brenndauer und Volumen
Übernimm die Messwerte aus dem Versuch oder trage eigene ein, z. B. die aus der Aufgabe „Gläser und Kerzen“ im Skript.
| Nr. | Volumen in L | Brenndauer in s |
|---|
Warum steigt das Wasser?
Typische Fehlvorstellung: „Die Kerze verbraucht den Sauerstoff, und das Wasser nimmt seinen Platz ein. Weil Luft 21 % Sauerstoff enthält, steigt das Wasser um ein Fünftel.“
Was daran nicht stimmt: Die Flamme erlischt schon bei etwa 15 bis 16 % Sauerstoff; verbraucht wird also nur gut ein Viertel des Sauerstoffs. Und aus dem Sauerstoff entstehen neue Gase: Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.
Erklärung zeigen
- Abkühlung (Hauptgrund): Die Flamme erwärmt die Luft im Glas. Warme Luft dehnt sich aus, ein Teil entweicht beim Aufsetzen (manchmal sieht man Blasen). Erlischt die Flamme, kühlt das Gas ab und zieht sich zusammen. Der Luftdruck draußen drückt dann Wasser ins Glas. Deshalb steigt das Wasser vor allem nach dem Erlöschen, und mit mehr Kerzen steigt es höher, obwohl sie beim selben Sauerstoffanteil erlöschen.
- Reaktion (kleiner Beitrag): Aus 3 Sauerstoff-Molekülen entstehen beim Verbrennen von Wachs etwa 2 Kohlenstoffdioxid- und 2 Wasser-Moleküle. Das Wasser kondensiert an der kühlen Glaswand. Übrig bleibt eine kleine Lücke von höchstens etwa 1,8 % des Volumens.
- Kohlenstoffdioxid löst sich nur langsam und wenig im Wasser; für den schnellen Anstieg spielt das kaum eine Rolle.
Modell: Alle Werte sind Richtwerte. Ein Teelicht verbrennt etwa 0,04 g Wachs je Minute und verbraucht dabei etwa 1,8 mL Sauerstoff je Sekunde; der Verbrauch gilt als konstant, das Gas im Glas als gut durchmischt. Die Flamme erlischt im Modell bei 15,5 % Sauerstoff (in Wirklichkeit etwa 15 bis 16 %). Im echten Versuch sammeln sich heiße Verbrennungsgase oben im Glas, die Flamme wird schon vorher kleiner, und die Brenndauer streut von Versuch zu Versuch. Beim Wasseranstieg ist die Erwärmung der Luft geschätzt, das entstandene Wasser gilt als vollständig kondensiert.
Sicherheit (im echten Versuch)
- Teelichter auf eine feuerfeste Unterlage stellen, lange Haare zurückbinden, nichts Brennbares in der Nähe.
- Das Glas wird warm: kurz abkühlen lassen, erst dann anfassen. Nur stabile Gläser verwenden.
- Beim Versuch über Wasser die Schale vorher füllen und das Glas ruhig aufsetzen.
Aufträge
- Miss die Brenndauer unter Gläsern mit 0,25 L, 0,5 L, 1 L und 2 L. Beschreibe den Zusammenhang zwischen Volumen und Brenndauer und erkläre ihn.
- Im Skript stehen die Messwerte 7 s (0,25 L), 15 s (0,5 L) und 29 s (1,0 L). Trage sie in die Messreihe ein und schätze die Brenndauer unter einem 2-Liter-Glas. Prüfe deine Schätzung im Versuch.
- Wie viel Sauerstoff ist beim Erlöschen noch im Glas? Welcher Teil des Sauerstoffs wurde verbraucht? Warum erlischt die Kerze trotzdem?
- Teil 2: Ein Mitschüler sagt: „Das Wasser steigt, weil der Sauerstoff verbraucht ist und das Wasser seinen Platz einnimmt. Luft enthält 21 % Sauerstoff, also steigt es um ein Fünftel.“ Nimm Stellung.
- Wiederhole Teil 2 mit einem, zwei und drei Teelichtern unter einem 1-Liter-Glas. Vergleiche Brenndauer, Sauerstoff beim Erlöschen und Wasseranstieg. Welche Erklärung wird dadurch gestützt?
- Wann steigt das Wasser vor allem: solange die Kerze brennt oder nachdem sie erloschen ist? Was beobachtet man manchmal direkt beim Aufsetzen?
- Für Profis: Die Luft im Glas hat beim Aufsetzen im Mittel 50 °C und kühlt auf 20 °C ab. Berechne, um wie viel Prozent ihr Volumen bei gleichem Druck abnimmt. Vergleiche mit dem Beitrag der Reaktion.
Theorie: Kapitel „Verbrennung und Brandschutz“ im Skript C8 (Versuch „Kerze unter dem Glas“, Aufgabe „Gläser und Kerzen“). Warum ein Feuer Brennstoff, Sauerstoff und Zündtemperatur braucht, zeigt die Station Branddreieck und Löschen.