Wolke im Glas

Was das Kind lernt

• Dass warme Luft viel unsichtbaren Wasserdampf tragen kann und dass dieser Dampf beim Abkühlen zu Tröpfchen wird (Kondensation).
• Dass Wolken Kondensationskeime brauchen (Staub, Rauch, Salz): Ohne sie bildet der Dampf keine Tropfen, selbst wenn es kalt ist.
• Dass warme Luft aufsteigt und kalte absinkt (Konvektion) und dass dies die Wolke im Glas wirbeln lässt.
• Einen Versuch mit seiner Kontrolle zu vergleichen (mit und ohne Rauch) und dabei nur eine Sache zu ändern.
• Zu stoppen und zu notieren, wie lange die Wolke je nach Eismenge oder Wassertemperatur zum Entstehen braucht.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Teile A (schwarzer Hintergrund) und B (Füllstandsskala) mit 100 % aus oder zeichne die Skala mit dem Lineal.
• Spül das Glas und entferne das Etikett: Das Glas muss sauber und außen trocken sein, damit man gut sieht.
• Halte das Eis in einer Schüssel und den Teller mit Wasser für die Streichhölzer bereit, bevor du anfängst.
• Arbeite auf einem stabilen Tisch, weit weg von Vorhängen und losem Papier, in einem etwas abgedunkelten Raum.
• Probier es vor der Einheit einmal selbst aus, um Wasser und Eis auf dein Glas abzustimmen.

Materialien und Werkzeuge

• Glas mit Metalldeckel — 1
  Einmachglas, 0,75–1 Liter, dickes Glas, weite Öffnung (≥ 7 cm) und Metall-Schraubdeckel
• Heißes Wasser — 200–220 ml
  mit 70–80 °C (Wasserkocher 1 Minute nach dem Abschalten); genau so viel, dass es in deinem Glas 3 cm hoch steht
• Eiswürfel — 6–8
  frisch aus dem Gefrierfach
• Speisesalz — 1 Teelöffel (5 g)
  wird auf das Eis gestreut, um es noch kälter zu machen
• Streichhölzer — 3–4
  aus Holz, um Rauch zu erzeugen (nur ein Erwachsener hantiert damit)
• Schwarzer Fotokarton — 1 A4-Blatt
  für den Hintergrund (Teil A)
• Taschenlampe — 1
  die vom Handy reicht
• Klebeband — 2 Stücke
  um die Füllstandsskala (Teil B) ans Glas zu kleben

Werkzeuge

• Wasserkocher oder Topf — das Wasser erhitzen Erwachsene
• Messbecher — etwa 210 ml Wasser abmessen
• Geschirrtuch — das heiße Glas beim Schwenken halten Erwachsene
• Teller oder Glas mit Wasser — benutzte Streichhölzer löschen und ablegen Erwachsene
• Stoppuhr (Handy) — messen, wie lange die Wolke braucht

Teile und Vorlagen

• A · Faltbarer schwarzer Hintergrund ×1 — schwarzer Fotokarton
• B · Wasserstandsskala ×1 — Papier

Schritt für Schritt

1. Bereite die Bühne vor

   Schneide den schwarzen Hintergrund A aus, falte ihn und stell ihn auf den Tisch. Klebe die Skala B mit Klebeband außen ans Glas, mit der Linie „Boden“ auf Höhe des inneren Glasbodens. Leg Eis, Salz und den Teller mit Wasser für die Streichhölzer in Reichweite.

   Prüfe: Das Glas vor dem schwarzen Hintergrund wirkt dunkel und ohne Spiegelungen vom Fenster.

2. Wärme das Glas vor Erwachsene

   Füll das Glas zur Hälfte mit heißem Leitungswasser und lass es 1 Minute stehen. Gieß es aus. So erwärmt sich das Glas langsam und springt nicht durch das heißere Wasser.

   Tipp: Halte das Glas mit einem Tuch: Es wird sofort heiß.

3. Gieß das heiße Wasser ein Erwachsene

   Erhitze Wasser im Wasserkocher und warte 1 Minute, nachdem er sich abgeschaltet hat (70–80 °C). Miss 210 ml mit dem Messbecher ab und gieß sie ins Glas bis zur 3-cm-Marke der Skala (bei einem Glas mit Ø 9,5 cm sind das etwa 210 ml; reicht es nicht oder ist es zu viel, gib Wasser dazu oder gieß welches ab, bis zur Marke).

   Prüfe: Aus dem Glas muss Dampf aufsteigen: Das zeigt, dass viel Wasserdampf da ist.

4. Wärme die Wände an Erwachsene

   Leg den Deckel lose auf und schwenke das Glas mit dem Tuch 3–4 Mal sanft im Kreis, damit das Wasser die Wände bis etwa 8 cm Höhe benetzt. Warme Wände nehmen den Dampf nicht vorzeitig weg.

5. Bereite den Eisdeckel vor

   Dreh den Deckel um (Innenseite nach oben) und füll ihn mit 6–8 Eiswürfeln. Streu einen Teelöffel Salz darüber und gib einen Esslöffel kaltes Wasser dazu, damit das Eis das ganze Metall gut berührt.

   Tipp: Wenn der Deckel klein ist, gib die Eiswürfel in einen dünnen Plastikbeutel und leg ihn auf den Deckel.

6. Setz das Eis obendrauf

   Leg den Deckel mit dem Eis auf die Glasöffnung (zuschrauben ist nicht nötig) und warte 30 Sekunden mit der Stoppuhr. Die Luft oben beginnt abzukühlen.

   Prüfe: Nach ein paar Sekunden beschlägt der Deckel von unten, und vielleicht siehst du einen ganz feinen Schleier.

7. Bring den Rauch hinein Erwachsene

   Der Erwachsene zündet ein Streichholz an, lässt es 2 Sekunden brennen und bläst es aus. Er hebt den Deckel nur 2–3 cm an einer Seite an, hält das rauchende Streichholz 2–3 Sekunden hinein, zieht es heraus und deckt sofort wieder zu.

   Tipp: Ohne Feuer: Ein ganz kurzer Sprühstoß (eine halbe Sekunde) Haarspray ins Glas erfüllt denselben Zweck.

8. Beobachte die Wolke

   Mach das Licht im Raum aus und leuchte das Glas mit der Taschenlampe von der Seite an (nicht von vorn). In 15–60 Sekunden siehst du einen weißen Nebel, der unter dem Deckel wirbelt und dichter wird. Stoppe, wie lange es dauert, bis er erscheint.

   Prüfe: Vor dem schwarzen Hintergrund ist eine klar abgegrenzte weiße Wolke mit Wirbelbewegungen zu sehen.

9. Lass die Wolke entweichen

   Heb den Deckel mit dem Eis zur Seite und schau zu, wie die Wolke langsam aus dem Glas steigt und sich in wenigen Sekunden in der Raumluft auflöst.

   Tipp: Wenn du sanft darüber pustest, bewegt sich die Wolke wie echte Wolken im Wind.

10. Wiederhole und vergleiche

    Deck wieder mit dem Eis zu (gib 2–3 Würfel dazu, wenn sie geschmolzen sind) und wiederhole den Versuch, diesmal OHNE Rauch. Vergleiche: Ohne Keime bildet sich nur ein schwacher Schleier oder gar nichts. Um es noch einmal mit Rauch zu machen, erhitze das Wasser neu, wenn es unter 50 °C gefallen ist.

    Prüfe: Du hast die Zeit mit und ohne Rauch notiert.

11. Räum auf

    Lass das Wasser 10 Minuten abkühlen und gieß es ins Spülbecken. Wirf die nassen Streichhölzer in den Müll, trockne den Deckel ab, damit er nicht rostet, und spül das Glas mit Wasser und Spülmittel.

Funktioniert es? Der Test

Mit 3 cm Wasser (etwa 210 ml) bei 75 °C deckst du mit 8 Eiswürfeln und Salz zu, bringst nach 30 s den Rauch eines Streichholzes hinein und stoppst die Zeit vom Zudecken, bis die Wolke im Taschenlampenlicht deutlich zu sehen ist. Wiederhole ohne Rauch.

Was passieren soll: Mit Rauch erscheint die Wolke in 10–40 Sekunden und wirbelt 1–2 Minuten lang. Ohne Rauch bildet sich in derselben Zeit kaum ein feiner Schleier oder gar nichts: Der Unterschied ist sehr deutlich.

Wenn etwas nicht klappt

• Es bildet sich keine Wolke — Wasser nicht heiß genug oder keine Keime (der Rauch ist entwichen). Lösung: Nimm Wasser mit 70–80 °C, heb den Deckel für den Rauch so wenig wie möglich an und deck sofort zu.
• Sie bildet sich, ist aber kaum zu sehen — Heller Hintergrund oder Licht von vorn. Lösung: Stell den schwarzen Hintergrund (Teil A) auf, dunkle den Raum ab und leuchte mit der Taschenlampe von der Seite.
• Die Wände beschlagen und die Wolke erscheint nicht — Die Wände waren kalt, und der Dampf kondensiert am Glas statt in der Luft. Lösung: Wärme das Glas vorher an und schwenke es mit dem heißen Wasser, um die Wände zu erwärmen.
• Die Wolke verschwindet sofort — Das Eis ist geschmolzen oder der Deckel ist nicht mehr kalt. Lösung: Gib mehr Eiswürfel mit Salz dazu. Je kälter der Deckel, desto länger hält die Wolke.
• Das Streichholz geht aus, bevor es raucht — Zu früh ausgeblasen. Lösung: Lass das Streichholz 2 Sekunden brennen, damit das Holz Feuer fängt, und blas es erst dann aus: Es gibt 3–5 Sekunden lang einen Rauchfaden ab.
• Das Glas knackt oder bekommt einen Sprung — Temperaturschock: sehr heißes Wasser in kaltem oder dünnem Glas. Lösung: Wärme das Glas immer vorher an, nimm dickes Einmachglas und nie frisch kochendes Wasser.

Sicherheit

• Wasser mit 75 °C verbrüht in Sekunden: Ein Erwachsener gießt es ein, und das Glas wird mit einem Tuch gehalten. Die Kinder schwenken das heiße Glas nicht.
• Die Streichhölzer zündet nur ein Erwachsener an und löscht sie, weit weg von offenen Haaren, Vorhängen und Papier. Benutzte Streichhölzer kommen auf einen Teller mit Wasser.
• Das Glas kann durch Temperaturschock zerbrechen: Wärme es vorher an und stell es immer auf ein Tuch auf dem Tisch.
• Atmet den Rauch nicht aus der Nähe ein und steckt die Nase nicht ins Glas; lüfte den Raum danach.
• Wenn du Haarspray nimmst, nur ein Sprühstoß, nie in der Nähe einer Flamme: Es ist brennbar.
• Salz mit Eis kann −5 °C erreichen: Haltet die gesalzenen Eiswürfel nicht lange in der Hand.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Heißes Wasser gibt Dampf ab, das ist unsichtbares Wasser, das in der Luft schwebt. Diese warme Luft steigt bis zum Deckel, der vom Eis eiskalt ist, und kühlt dort ab. Kalte Luft kann nicht so viel Dampf tragen und lässt ihn als winzige Tröpfchen los. Aber die Tröpfchen brauchen etwas, woran sie sich festhalten können, so wie du einen Stuhl zum Sitzen brauchst: Die Rauchteilchen sind diese Stühle. Millionen Tröpfchen zusammen sind eine Wolke.

Für Erwachsene

Die maximale Dampfmenge, die Luft aufnehmen kann, steigt sehr schnell mit der Temperatur (Sättigungsdampfdruck ≈ 47 hPa bei 32 °C gegenüber ≈ 6 hPa bei 0 °C). Wasser mit 70–80 °C verdunstet rasch und sättigt die Luft im Glas; diese warme, feuchte Luft steigt durch Konvektion auf und kühlt am 0 bis −5 °C kalten Deckel ab, wodurch sie übersättigt wird. Einen Tropfen allein aus Dampfmolekülen zu bilden (homogene Nukleation) erfordert jedoch Übersättigungen von mehreren hundert Prozent, weil der Dampfdruck über einem stark gekrümmten Tropfen höher ist (Kelvin-Effekt). In der Atmosphäre bilden sich Tropfen an Aerosolen (Kondensationskeimen: Sulfate, Meersalz, Staub, Ruß) schon bei Übersättigungen von nur 0,1–1 %. Die Rauchteilchen des Streichholzes mit 0,1–1 µm wirken als solche Keime: Der Dampf kondensiert an ihnen und bildet Millionen Tröpfchen von ≈ 10 µm, die das Licht in alle Richtungen streuen (Mie-Streuung). Deshalb ist die Wolke weiß und ist seitlich beleuchtet vor dunklem Hintergrund am besten zu sehen. Die kalte Luft am Deckel sinkt, die warme steigt, und so entstehen Konvektionszellen, die die Wolke wirbeln lassen. Beim Öffnen tritt die Wolke aus und verdunstet, während sie sich mit der trockenen Raumluft vermischt.

• Wasserdampf: Wasser in Gasform, unsichtbar, das in der Luft schwebt.
• Kondensation: wenn Dampf abkühlt und zu Tröpfchen aus flüssigem Wasser wird.
• Kondensationskeim: winziges Teilchen (Rauch, Staub, Salz), an dem sich ein Tröpfchen bildet.
• Konvektion: Bewegung der Luft: Warme steigt auf, kalte sinkt ab.
• Taupunkt: Temperatur, bei der abkühlende Luft beginnt, Tröpfchen abzugeben.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene übernimmt alles Heiße und den Rauch. Die Kinder legen das Eis in den Deckel, machen das Licht aus, leuchten mit der Taschenlampe und zählen die Sekunden. Konzentriere dich auf „Kälte + Dampf + Rauch = Wolke“.
• 8–10 Jahre: Sie bereiten Bühne, Eis und Skala vor, stoppen die Zeit und vergleichen mit und ohne Rauch in einer Tabelle. Wasser und Streichholz bleiben beim Erwachsenen.
• 11–12 Jahre: Sie planen ihren eigenen Versuch, bei dem nur eine Variable geändert wird (Eis, Wassertemperatur, Art des Keims: Rauch, Haarspray, Kreidestaub), und erstellen ein Diagramm. Challenge: die Wolke in der Flasche durch Druck und erklären, warum sich Luft beim Ausdehnen abkühlt.

In der Gruppe oder in der Klasse

Am besten als Vorführung mit Stationen: ein Erwachsener pro Glas und Gruppen von 5–6 Kindern drumherum (4 Gläser für 24 Kinder). Jede Gruppe hat ihren schwarzen Hintergrund, ihre Taschenlampe und ihr Protokollblatt. Stell für jede Station eine Thermoskanne mit heißem Wasser bereit und Eis in einer Kühlbox. Einheit von 40 min: 10 min Erklärung, 25 min Versuche (mit Rauch, ohne Rauch, mehr Eis) und 5 min gemeinsame Auswertung. In Klassenräumen, in denen kein Feuer erlaubt ist, nimm Haarspray als Keim.

Challenges

• Schaffe es, dass die Wolke länger als 2 Minuten im Glas bleibt.
• Probiere andere Keime aus: Haarspray, Kreidestaub, sehr feines Salz, Räucherstäbchen. Welcher macht die dichteste Wolke?
• Mach eine Wolke, die regnet: Stell das Glas mit dem Eisdeckel zum Abkühlen in den Kühlschrank und beobachte die Tropfen am Deckel.
• Fotografiere eine Woche lang Wolken am Himmel und ordne sie ein (Cumulus, Stratus, Cirrus).
• Baue die Wolke in der Flasche und miss mit einem Digitalthermometer, wie stark die Temperatur beim Loslassen sinkt.

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• 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

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