4.3: Wie funktioniert eine Dampfmaschine?

1 4.1: Welche Vorteile bietet die Schiene? 2 4.2: Geschichte der Eisenbahn 3 4.3: Wie funktioniert eine Dampfmaschine? 4 4.4: Umwandlung einer geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung (Teil 1) 5 4.5: Umwandlung einer geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung (Teil 2) 6 4.6: Funktionsweise einer Dampflokomotive

Autoren:
Publikation:	9.3.2015
Lernstufe:	3
Übersicht:	Anhand eines Experiments und einer Literaturrecherche lernen die Schüler, wie Dampf unter Druck einen Kolben in Bewegung setzt.
Angestrebte Kenntnisse:	In einer Dampfmaschine wird (flüssiges) Wasser erhitzt und in Wasserdampf (Gas) umgewandelt. Ist der Wasserdampf unter Druck, treibt er einen Kolben an, der die Radachsen in eine Drehbewegung versetzt.
Wortschatz:	Dampf, Kolben, Zylinder
Dauer:	1 Stunde
Material:	Für jede Zweiergruppe: das Arbeitsblatt 11: "Die Dampfmaschine" Für die Klasse (optional): eine große Spritze ein Schlauch, der auf die Spritzendüse passt ein Erlenmeyerkolben samt Stopfen mit Loch, oder irgendein anderes, geschlossenes Gefäß, das man über einer Flamme erhitzen kann ein Heizgerät (Camping- oder Spirituskocher, Heizplatte) Klebeband oder alternativ zu all diesem Material: ein Rechner und ein Beamer
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Vorführung eines Experiments oder Literaturrecherche

Je nach verfügbarem Material kann diese Unterrichtsstunde entweder mit einem Experiment beginnen, das die Lehrerin vorführt, oder mit einem Film, in dem dieses Experiment gezeigt wird.

Das Experiment besteht darin, dass Wasser in einem geschlossenen Behälter – einem Erlenmeyerkolben – erhitzt wird, und der entstehende Dampf über einen Schlauch zur Spritze geleitet wird. Man sieht, dass der Druck des Dampfes ausreicht, um den Kolben der Spritze zu bewegen. Bevor man den Aufbau in Betrieb setzt, werden die Schüler aufgefordert, ihn zu beschreiben und vorherzusagen, was geschehen wird.

Abb. 1: Ein Experiment mit Erlenmeyerkolben und Spritze [1]

Wer das Experiment nicht selber machen kann/möchte, kann sich auch das entsprechende Youtube-Video anschauen.

Die Schüler werden aufgefordert, das Experiment schematisch darzustellen. Sie sollen es beschreiben und versuchen zu erklären, was passiert.

Gemeinsame Erörterung

Die Schüler stellen ihre Beschreibungen und Erklärungen vor. Falls nötig, kann die Lehrerin das Experiment wiederholen und damit zeigen, was richtig oder falsch dargestellt oder erklärt wurde. Schließlich einigen sich die Schüler auf eine gemeinsame Darstellung.

Zeichnung des Experiments mit Erlenmeyerkolben und Spritze

Abb. 2: Zeichnung des Experiments mit dem Erlenmeyerkolben und der Spritze [2]

Mit der Vorführung wird nur die erste Phase im Funktionsablauf der Dampfmaschine erläutert: Es wird lediglich verdeutlicht, dass Dampf unter Druck einen Kolben bewegen kann. Hier wird erst einmal nicht darüber gesprochen, dass der Kolben auch anhalten und wieder zurückkommen muss (das wird in nachfolgenden Unterrichtsstunden thematisiert).

Ein weiteres Youtube-Video zeigt den Nachbau einer Dampfmaschine. Ein solches Modell kann im Unterricht eingesetzt werden.

Niederschrift und Zusammenfassung

Wenn die Lehrerin der Ansicht ist, dass die Schüler die Funktionsweise der Dampfmaschine verstanden haben, verteilt sie das Arbeitsblatt 11 (Die Dampfmaschine) und fordert die Schüler auf, ihre Erkenntnisse aus dem Experiment Stück für Stück mit den Abläufen in der tatsächlichen Dampfmaschine in Verbindung zu bringen.

Die Klasse erarbeitet gemeinsam eine Schlussfolgerung.

Beispiel: Die Dampfmaschine wandelt (flüssiges) Wasser in Wasserdampf (Gas) um. Der Wasserdampf setzt einen Kolben in Bewegung. Die Bewegung des Kolbens ist geradlinig.

Wissenschaftliche Anmerkungen

Denis Papin (1647-1712) war nicht der Erste, der sich ausdachte, wie man aus Dampfkraft einen Nutzen ziehen kann. Aber er war der Erste, der gegen Ende des 17. Jahrhunderts einen Heizkessel mit einem (Sicherheits-)Ventil versah (sodass ein erhöhter Druck im Kessel entstehen konnte) und den Dampfdruck auf einen Kolben übertrug [3].

Erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts gelangte die Dampfmaschine – mit den Verbesserungen durch den Schotten James Watt – zu technischer Reife und zu ihrer Hauptrolle in der industriellen Revolution. Die geradlinige Bewegung wurde nun mit einem Schubkurbelgetriebe in eine Drehbewegung umgewandelt. Und so fand die Dampfmaschine Eingang in die Webereien, die Metallverarbeitung, die Landwirtschaft und – mit der Erfindung der Lokomotive – in das Transportwesen.

Fußnoten

1: Abb. 1: 4. Klasse von Kévin Faix (Le Kremlin-Bicêtre)

2: Abb. 2: 5. Klasse von Sophie Gouet (Paris)

3: Der Calvinist Papin aus Blois an der Loire wurde notgedrungen ein wahrer "Europäer". Er floh aus Frankreich und arbeitete zunächst in London. Seine technischen Entwicklungen (Dampfkochtopf, die hier erwähnte, rudimentäre "Dampfmaschine", ein erstes U-Boot) machte er hauptsächlich als Universitätslehrer in Marburg und im Dienste des hessischen (protestantischen) Landesfürsten.

Letzte Aktualisierung: 18.1.2017