Teewasserkochversuch

Physik

Basiswissen｜ Video｜ Grundidee｜ Benötigtes Material｜ 1. Schritt｜ 2. Schritt｜ 3. Schritt｜ 4. Schritt｜ Beispiel｜ Wirkungsgrad｜ Fußnoten

Basiswissen

Wie lange dauert es, um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen? Ein Versuch zur Umwandlung von elektrischer in thermische Energie, geeignet ab etwa Klasse 10.

Video

1 Liter Leitungswasser brauchte gut 220 Sekunden, um sich von 17 °C auf 100 °C zu erwärmen. Welche Energie war dazu nötig?

Grundidee

Über den Stromanschluss gelangt elektrische Energie^[1] in den Wasserkocher. Von dem Heizstab^[2] am Boden wird diese elektrische Energie umgewandelt in Wärme^[3]. Wenn man weiß, wie viel elektrische Energie in jeder Sekunde zugeführt wird^[4], und wenn man b) auch weiß, wie viel Energie ein Liter Wasser benötigt, um ein Grad wärmer zu werden^[5], dann müsste man damit recht gut abschätzen können, wie lange es dauert, bis ein Liter Wasser kocht.

Benötigtes Material

einen 👉 Wasserkocher

einen 👉 Messbecher

einen 👉 Notizzettel

ein 👉 Thermometer

eine 👉 Stoppuhr

1. Schritt

Versuchsblatt anlegen: Nimm ein DIN-A4-Blatt hochkant. Schreibe als Überschrift: "Teewasserkochversuch". Schreibe ganz unten klein deinen Namen und das Datum auf. Zeichne in die obere Blätthälfte einen Wasserkocher. Die Skizze soll etwa so hoch sein, wie deine Hand breit ist. Skizziere, dass der Wasserkocher mit einem Liter Wasser gefüllt sein soll. Schreibe an die Skizze die ungefähre Außentemperatur (Kaltes Zimmer wären etwa 16 Grad, angenehmes Zimmer wären um die 20 Grad, warmes Zimmer wären etwa 25 bis 30 Grad, sehr warm wären mehr als 30 Grad. Auf dem Wasserkocher muss irgendwo seine elektrische Leistung stehen. Meistens steht so etwas auf einem kleinen aufgeklebten Schild am Boden. Die Leistung ist die Zahl vor der W (für Watt) oder vor einem kW (Kilowatt) oder vor einem VA (Voltampere, ist wie Watt). Schreibe ie Leistung mit auf das Versuchsblatt.

2. Schritt

Heizenergie berechnen: Ein Watt Leistung heißt bei einem Wasserkocher: in einer Sekunde geht ein Joule elektrische Energie in das Wasser und wird dort zu thermischer Energie. Die thermische Energie lässt die Temperatur des Wassers steigen. Die spezifische Wärmekapazität des Wassers sagt, wie viele Joule man für ein Kilogramm braucht, um es einen Grad wärmer zu machen. Ein Liter Wasser wiegt ziemlich genau ein Kilogramm. Um das Wasser zum Kochen zu bringen, muss man es von der Raumtemperatur auf 100 Grad Celsius erwärmen. Mit diesen Angaben weißt du, wie viele Joule du brauchst, um das Kilogramm Wasser auf 100 Grad Celsius zu bringen. Ein Grad Celsius ist vom Unterschied genau das Gleiche wie ein Kelvin. Wenn man das Wasser um 80 Grad Celsius erwärmen will, ist es das Gleich, wie eine Erwärmung um 80 Kelvin.

Schreibe auf das Versuchsblatt:

Masse Wasser: 1 kg
Spezifische Wärmekapazität Wasser: etwa 4200 Joule pro Kg und Kelvin
Raumtemperatur: _____________ °Celsius
Temperaturerhöhung bis zum Kochen: ________ °C
Benötigte Energie für 1 °C Erwärmung: ________ Joule
Benötigte Energie bis zum Kochen bei 100 Grad Celsius: ________ Joule

3. Schritt

Heizdauer berechnen: Wenn du jetzt weißt, wie viele Joule in das Wasser übergehen müssen, dann kannst du als nächstes berechnen, wie lange das dauert. Die Leistung des Waserkochers sagt, wie viele Joule in jeder Sekunde übergehen. Du kannst jetzt zum Beispiel mit dem Dreisatz berechnen, wie oft man die Energiemenge von einer Sekunde Heizen braucht, bis die gesamte Energiemenge übergegangen ist. Schreibe dann auf das Blatt:

Berechnete Heizdauer: _________ Sekunden

4. Schritt

Wasser kochen: Miss nun einen Liter Wasser ab, gib ihn in den Wasserkocher. Stelle den Kocher an und starte gleichzeitig die Stoppuhr. Miss die Zeit, die der Kocher braucht, bis das Wasser kocht. Das müssten einige wenige Minuten sein. Wasser kocht, wenn sichtbar große Blasen vom Boden aufsteigen. Das zischende Geräusch des Siedens geht dabei in ein ruhigeres Blubbern über. Schreibe die Zeit auf das Versuchsblatt:

Gemessene Heizdauer: __________ Sekunden

Beispiel

Mit einer elektrischen Wasserkocher der Firma Severin aus Sundern wurde ein Teewasserkochversuch am 21. September 2026 durchgeführt. Das Typenschild auf dem Kocher machte folgende Angaben.

Art. WK 3364

Typ 3364

220-240 V als 👉 elektrische Spannung

Etwa 50/60 Hz als 👉 Frequenz

1800 W als 👉 elektrische Leistung

Für unseren Versuch interessant ist die Angabe der elektrischen Leistung von 1800 Watt oder 1,8 Kilowatt. Das heißt, dass in jeder Sekunde 1800 Joule an Wärmeenergie abgegeben werden. Ein Großteil der Wärme dürfte dabei direkt ins Wasser gelangen. Ein kleinerer Teil kann auch über Konvektion und Strahlung vom Wasserkocher an die Umgebung abgegeben werden.

Für den Versuch wurde in einem Messbecher 1 Liter Leitungswasser abgemessen. Zwei Flüssigkeitsthermometer zeigten unabhängig voneinander eine Anfangstemperatur des Wassers von 17 Grad Celsius an.

Spezifische Wärmekapazität von Wasser: c ≈ 4200 Joule pro Liter und Grad Celsius

Anfangstemperatur: θ₁ = 17 °C

Endtemperatur: θ₂ = 100 °C

Heizleistung: 1800 👉 Watt

Heizdauer Durchgang 1: 3 min 35 s = 215 s

Heizdauer Durchgang 2: 3 min 40 s = 220 s

Wie gut passen die Messwerte zu der Angabe, dass ein Liter Wasser gut 4200 Joule Energie benötigt, um sich um ein Grad Celsius (oder Kelvin) zu erwärmen? Um von 17 °C auf 100 °C zu kommen, wären das 83 mal 4200 Joule, also ausgerechnet etwa 348600 Joule oder fast 350 tausend Joule.

Im Versuch gab der Wasserkocher in jeder Sekunde 1800 Joule ab, und das Ganze etwa 220 Sekunden lang. Damit kommt man auf 396000 oder knapp 400 tausend Joule. Geht man von etwas Verlustwärme aus, die nicht direkt ins Wasser gelangt, liegen die Werte doch recht nahe beieinander. Rechnung und Messung sind einigermaßen stimmig.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad, oft mit einem kleinen griechischen Eta als η abgekürzt, gibt an, welcher Anteil der eingesetzten Energie am Ende auch wirklich als genutzte Energie angekommen ist. Der Wirkungsgrad ist damit immer eine Zahl zwischen 0 (keine Energie kam nutzvoll an) bis 1 (die gesamte Energie wurde genutzt). Rechnerisch teilt man die genutzte Energie durch die insgesamt aufgebrachte Energie.

DEFINITION:

Wirkungsgrad = Nutzen durch Aufwand

Im Versuch vom 21. September 2026 wurden 220 mal 1800, also Joule an elektrischer Energie als Aufwand aufgebracht, also 396000 Joule. Für die physikalische Erwärmung des Wassers gebraucht wurden aber nur 83 mal 4200 oder 348600 Joule.

Nutzen durch Aufwand = Wirkungsgrad

348600 durch 396000 ≈ 0,88 oder 88 %

Der Wirkungsgrad des Wasserkochers lag also bei rund 88 %. Das heißt, das 12 % der aufgewendeten elektrischen Energie nicht in die Erwärmung des Wassers gingen. Mögliche Verlustströme waren vielleicht entwichener (energiereicher) Wasserdampf, über die Wände des Kochers abgestrahlte Wärmestrahlung (Infrarot) sowie direkter Wärmeverlust über Konvektion (Teilchenstöße).

Fußnoten

[1] Die elektrische Energie kann man in Joule angeben. Um zu berechnen, wie viel elektrische Energie in jeder Sekunde in den Wasserkocher gelangen, liest man die elektrische Leistung des Wasserkochers auf seinem Typenschild ab. Typische Werte liegen zwischen 800 Watt und 2000 Watt. Die Wattzahl sagt anschaulich, wie viele Joule in jeder Sekunde in Wärme umgewandelt werden.

[2] Der Heizstab ist manchmal sichtbar in einem Wasserkocher, oft aber auch unsichtbar im Boden angebracht. Der Heizstab wandelt die elektrische Energie quasi verlustfrei, das heißt vollständig um in elektrische Energie. Die Formel ist: Leistung in Watt mal Zeit in Sekunden gibt die Energiemenge in Joule, die in der betrachteten Zeit umgewandelt wurden. Siehe auch 👉 Heizleistung

[3] Unter Physiker und Thermodynamikern ist es umstritten, ob man Wärme als eine Form der Energie betrachten darf. Für den Teewasserkochversuch hier macht man damit aber keinen Fehler. Siehe auch 👉 Wärme

[4] Wie viele Joule in jeder Sekunde umgesetzt werden ist wieder die Heizleistung. Die Angabe findet man meist irgendwo an dem Gerät. Typisch sind zum Beispiel 800 Watt [W] oder auch 2000 UI [UI steht quasi für Watt]. Siehe auch 👉 Elektrische Leistung

[5] Flüssiges Wasser benötigt rund 4,2 Joule Energie, um einen Milliliter (was in etwa auch ein Gramm ist), um einen Grad Celsius zu erwärmen. Damit benötigt man für einen Liter rund 4200 Joule, um ihn um ein Grad zu erwärmen. Will man Wasser von Raumtemperatur (etwa 20 °C) zum Kochen bringen (100 °C), muss man also 80 mal die Energiemenge von 4200 Joule aufbringen. Siehe auch 👉 Spezifische Wärmekapazität von Wasser [4,2 J/(kg·K)]