Feuerfester Wasserballon

Was das Kind lernt

• Dass Wärme von warmen zu kalten Körpern fließt und manche Stoffe (Wasser) sie sehr gut wegführen.
• Dass Wasser sehr viel Energie braucht, um sich zu erwärmen (spezifische Wärmekapazität 4,18 J/g·°C): Deshalb kühlt es das Gummi.
• Dass Luft Wärme schlecht leitet: Gummi mit Luft dahinter wird im Nu heiß.
• Dass Ruß Kohlenstoff aus einer unvollständigen Verbrennung ist, der entsteht, wenn die Flamme abgekühlt wird.
• Zeiten und Temperaturen zu messen und Ergebnisse fair zu vergleichen (gleiche Höhe, gleiche Kerze).

Vorher vorbereiten

• Mach den Versuch neben der Spüle (oder mit einer Schüssel Wasser daneben) auf einem Tisch ohne Papiere und Lappen.
• Drucke das Höhenlineal A auf Fotokarton und falte es.
• Bereite die Ballons vorher vor: einen mit Luft auf etwa 20 cm Durchmesser aufgeblasen und einen mit 150 ml Wasser (und fast keiner Luft).
• Lange Haare zusammenbinden, Schals und weite Ärmel ablegen.
• Halte ein Glas Wasser und einen feuchten Lappen bereit, falls Wachs tropft oder etwas Feuer fängt.

Materialien und Werkzeuge

• Latexballons — 4 (2 für den Versuch und 2 als Ersatz) kaufen
  rund, gleiche Sorte und helle Farbe (um den Ruß zu sehen), normale Größe (25–30 cm maximal); den Luftballon nur auf etwa 20 cm aufblasen
• Kerze — 1 kaufen
  Stumpen- oder Tischkerze mit Ø 4–6 cm, die von allein steht
• Leitungswasser — 150 ml pro Ballon
  mit Raumtemperatur (≈ 20 °C)
• Streichhölzer oder Feuerzeug — 1
  lange Kaminstreichhölzer oder Stabfeuerzeug
• Keramikteller — 1
  flach, um die Kerze daraufzustellen
• Leere Plastikflasche — 1
  500 ml, um den Ballon mit Wasser zu füllen
• Fotokarton — 1 Streifen von 40 × 160 mm
  200 g/m² oder mehr, für das Höhenlineal
• Wäscheklammer aus Holz — 1
  um den Knoten des Ballons mit Abstand zu den Fingern zu halten

Werkzeuge

• Messbecher — 150 ml Wasser abmessen
• Stoppuhr (Handy) — die Sekunden über der Flamme messen
• Küchenthermometer (optional) — die Wassertemperatur vorher und nachher messen
• Schere — das Höhenlineal ausschneiden und den Ballon aufschneiden, um das Wasser zu messen

Teile und Vorlagen

• A · Höhenlineal für die Flamme ×1 — Fotokarton 200 g/m²

Schritt für Schritt

1. Bereite den Platz vor Erwachsene

   Stell den Teller neben die Spüle, 30 cm vom Tischrand entfernt. Stell die Kerze in die Mitte (befestige ihren Fuß mit 2 Tropfen geschmolzenem Wachs, wenn sie wackelt) und stell ein Glas Wasser daneben.

2. Blase den Luftballon auf

   Blase den ersten Ballon nur mit Luft auf etwa 20 cm Durchmesser auf (nicht bis zum Maximum) und mach einen Knoten. Klemm eine Wäscheklammer an den Knoten, um ihn zu halten.

3. Miss das Wasser ab

   Füll 150 ml Leitungswasser in eine leere 500-ml-Flasche. Wenn du ein Thermometer hast, miss die Wassertemperatur und schreib sie auf.

4. Füll den Ballon mit Wasser

   Zieh die Öffnung des zweiten Ballons über den Flaschenhals. Dreh die Flasche um und drück sie, bis das ganze Wasser im Ballon ist. Nimm den Ballon ab, lass die übrige Luft heraus und mach einen Knoten.

   Prüfe: Der Ballon sollte etwa 7 cm groß, fast rund und ohne große Luftblase oben sein.

5. Stell das Höhenlineal auf

   Schneide das Lineal A aus, knicke den Fuß und stell es 2 cm neben die Kerze. Unterlege das Lineal mit Karton, bis die Linie DOCHT auf Höhe des Dochts liegt.

6. Zünde die Kerze an Erwachsene

   Der Erwachsene zündet die Kerze mit langen Streichhölzern an. Warte 1 Minute, bis die Flamme ruhig brennt (etwa 2–3 cm hoch) und kein Luftzug da ist.

7. Teste den Luftballon Erwachsene

   Der Erwachsene hält den Luftballon an der Klammer und senkt ihn langsam ab, bis seine Unterseite an der Markierung BALLON ist (25 mm über dem Docht). Das Kind stoppt die Zeit von diesem Moment an, bis er platzt.

   Prüfe: Trag die Sekunden in die Tabelle ein.
   Tipp: Halt dir die Ohren zu: Der Knall ist laut. Meist platzt er nach 1–3 Sekunden.

8. Teste den Wasserballon Erwachsene

   Senke jetzt den Wasserballon bis zur selben Markierung, mit dem Knoten nach oben, damit die Flamme genau dort hinkommt, wo das Wasser ist. Halte ihn ruhig und stoppe 20 Sekunden; wenn du dich traust, mach weiter bis 60 Sekunden.

   Prüfe: Der Ballon platzt nicht. Ist viel Luft darin geblieben, erhitzt die Flamme Gummi ohne Wasser dahinter und er platzt; lass sie auch nicht an den Hals oder den Knoten kommen: Halte ihn senkrecht mit dem Knoten oben.

9. Schau dir den Ruß an Erwachsene

   Der Erwachsene nimmt den Wasserballon weg und löscht die Kerze. Schau dir danach den schwarzen Fleck an der Unterseite an und reib mit dem Finger darüber: Das ist Ruß (Kohlenstoff), keine Brandstelle. Er geht mit Wasser und Seife ab.

10. Miss die Wassertemperatur

    Schneide über der Spüle den Ballonhals mit der Schere auf, gieß das Wasser in ein Glas und miss seine Temperatur. Vergleiche sie mit der, die du am Anfang notiert hast.

    Prüfe: Nach 60 s über der Flamme ist das Wasser nur um 1–3 °C wärmer geworden.

Funktioniert es? Der Test

Mit der Kerze auf derselben Höhe und dem Ballonboden 25 mm über dem Docht stoppst du die Zeit beim Luftballon und beim Ballon mit 150 ml Wasser.

Was passieren soll: Der Luftballon platzt nach 1–3 s. Der Wasserballon hält 60 s oder länger, ohne zu platzen; er hat danach einen schwarzen Rußfleck und das Wasser ist kaum um 1–3 °C wärmer geworden.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Wasserballon platzt — Es ist viel Luft darin geblieben (die Flamme erhitzt Gummi ohne Wasser dahinter), die Flamme hat den Hals oder den Knoten berührt, hinter denen kein Wasser ist, oder der Ballon war fehlerhaft. Lösung: Lass vor dem Verknoten die ganze Luft heraus, halte ihn senkrecht mit dem Knoten oben und prüfe, dass die Flamme nur den Boden berührt, wo das Wasser ist.
• Der Wasserballon wird sehr schnell rußig — Er steckt in der Flamme und kühlt sie zu stark ab. Lösung: Heb ihn etwas an: Nur die Flammenspitze soll den Ballon berühren (Marke 25–30 mm).
• Der Luftballon braucht lange, bis er platzt — Er ist zu hoch, außerhalb der Flamme. Lösung: Senke ihn, bis die Flammenspitze das Gummi berührt.
• Die Flamme geht aus, wenn der Ballon näher kommt — Der Ballon drückt die Flamme platt oder es zieht. Lösung: Geh nicht tiefer als die 25-mm-Marke und schließ die Fenster.
• Ich bekomme das Wasser nicht in den Ballon — Die Ballonöffnung ist sehr eng: Wenn du das Wasser direkt hineingießt (aus dem Hahn oder einem Krug), läuft es außen herunter. Lösung: Nimm den Flaschentrick: Ballonöffnung über den Flaschenhals, Flasche umdrehen und drücken.

Sicherheit

• Feuer: immer mit einem Erwachsenen, auf einem Teller, weit weg von Vorhängen, Papieren und Lappen, mit einem Glas Wasser daneben. Lange Haare zusammengebunden und keine weiten Ärmel.
• Der Luftballon platzt mit einem lauten Knall: Halt dir die Ohren zu und bring dein Gesicht nicht nah heran.
• Ballons: Erstickungsgefahr für Kinder unter 8 Jahren durch nicht aufgeblasene Ballons oder geplatzte Stücke. Sammle alle Reste auf.
• Latex: Wenn jemand allergisch ist, nimm latexfreie Ballons oder die Person fasst sie nicht an.
• Heißes Wachs verbrennt: Beweg die brennende Kerze nicht und lass sie 5 Minuten abkühlen, bevor du aufräumst.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Das Gummi des Ballons ist sehr dünn. Wenn dahinter nur Luft ist, bleibt die Wärme der Flamme im Gummi, es wird ganz heiß und reißt: Peng! Aber wenn dahinter Wasser ist, ist das Wasser wie ein Wärmeschwamm: Es nimmt die Wärme sofort vom Gummi weg und verteilt sie im ganzen Ballon. Weil Wasser ganz viel Wärme braucht, um warm zu werden, bleibt das Gummi kühl und reißt nicht. Der schwarze Fleck ist Ruß, also ein bisschen Kerze, die nicht ganz verbrannt ist.

Für Erwachsene

Eine Kerzenflamme hat an der Spitze ≈ 1000–1400 °C und gibt an einen berührten Gegenstand größenordnungsmäßig 10–20 W ab. Die Latexwand (≈ 0,1–0,2 mm) hat sehr wenig Masse: Mit Luft dahinter (Wärmeleitfähigkeit ≈ 0,026 W/m·K und schwache Konvektion) kann die Wärme nicht abfließen, das Gummi überschreitet sofort die ≈ 150–200 °C, bei denen gedehnter Latex an Festigkeit verliert, und weil es unter Spannung steht, reißt es in 1–3 s. Mit Wasser dahinter durchquert die Wärme die dünne Wand durch Wärmeleitung und das Wasser verteilt sie durch Konvektion: Das Wasser am Gummi erwärmt sich, steigt auf und wird durch kaltes Wasser ersetzt. Die Wand bleibt auf kaum mehr als die Wassertemperatur begrenzt (höchstens 100 °C, was Latex aushält). Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität, 4,18 J/g·°C: 150 g Wasser, die 60 s lang 15 W aufnehmen (900 J), erwärmen sich nur um ≈ 1,4 °C. Deshalb hält der Ballon minutenlang. Ruß entsteht, weil die kalte Ballonoberfläche die Flamme unter die Temperatur der vollständigen Verbrennung abkühlt und sich unverbrannter Kohlenstoff ablagert. Es ist dasselbe Prinzip wie bei der Wasserkühlung von Motoren oder dem Wasserkochen in einem Papierbecher.

• Wärme: Energie, die von einem warmen zu einem kälteren Körper fließt.
• Wärmeleitung: Weitergabe von Wärme durch einen Stoff, von Teilchen zu Teilchen.
• Konvektion: warme Flüssigkeit steigt auf und kalte sinkt ab, so verteilt sich die Wärme.
• spezifische Wärmekapazität: Energie, die nötig ist, um 1 g eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen; Wasser braucht sehr viel davon.
• Ruß: schwarzer Kohlenstoffstaub, der bei unvollständiger Verbrennung entsteht.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene hält die Ballons und zündet die Kerze an. Das Kind hilft, den Ballon mit der Flasche zu füllen, stoppt die Zeit durch lautes Zählen und reibt den Ruß ab. Kernbotschaft: „Das Wasser nimmt die Wärme weg.“
• 8–10 Jahre: Sie füllen die Ballons, stellen das Höhenlineal auf, stoppen die Zeit und füllen die Tabelle aus. Der Erwachsene hält über die Flamme.
• 11–12 Jahre: Sie messen Temperaturen mit dem Thermometer, berechnen die aufgenommene Energie (Q = m·c·ΔT) und die Leistung der Flamme und planen das Experiment zur Wassermenge mit 3 Wiederholungen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Als Vorführung für die ganze Klasse (nur eine Kerze auf dem Lehrertisch, Schüler in 1,5 m Abstand) oder in Stationen mit 4 Schülern und einem Erwachsenen pro Station. Pro Station: 1 Kerze auf Teller, 4 Ballons, Flasche mit 150 ml Wasser, Höhenlineal, Stoppuhr. 30 min: schriftliche Vorhersage (5), Versuche (15), gemeinsame Auswertung (10).

Challenges

• Erhitze Wasser in einem Papierbecher oder einem Papierkästchen über der Kerze, ohne dass das Papier verbrennt.
• Entwirf einen „Hitzeschild“ für den Luftballon (Alufolie, Fotokarton …) und miss, wie viel länger er hält.
• Finde heraus, ob ein Ballon mit Öl statt Wasser genauso lange hält (Öl hat die halbe spezifische Wärmekapazität). Nur mit einem Erwachsenen und über der Spüle.
• Berechne, wie viele Minuten es dauern würde, bis 150 ml Wasser mit einer 15-W-Flamme kochen.

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Flaschentaucher
• Luftring-Kanone
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Spirale, die sich durch Wärme dreht
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
• Trockenes Tuch unter Wasser
• Wasserfilter in Schichten
• Wasserwirbel zwischen zwei Flaschen
• Das Ei, das die Flasche verschluckt
• Wolke im Glas

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