Experiment & Erklärung für Eltern

Wie funktionieren Dämmung und Kühlschrank?

Baue zuerst eine Kühlbox und rette Nallos Eis. Danach kannst du sie Schritt für Schritt zum Kühlschrank erweitern.

In dieser Werkstatt kannst du selbst bauen

Die Dämmung verlangsamt den Wärmeeintrag aus der warmen Umgebung. Der aktive Kühlkreislauf nimmt innen Wärme auf und gibt sie außen wieder ab. Dafür benötigt der Kompressor elektrische Energie. An der warmen Seite kommt deshalb die entzogene Wärme zusammen mit der eingesetzten elektrischen Energie an.

Folge dem nächsten Schritt im Baukasten. Die Platten im Bild lassen sich auch direkt antippen.

Vier Forschungsaufträge

1 · Eis retten

Erhalte nach 30 Minuten mindestens 75 % Eis – ohne aktive Kühlung.

Baue Boden, Wände und Deckel. Bleibe bei Kühlbox, 26 °C Raum- und 8 °C Anfangstemperatur.
Vermute, welche Platte Wärme am besten bremst, und teste 30 Modellminuten.
Lies „Eis übrig“ ab. Ändere nur einen Wandbereich und teste erneut.

Dämmung erzeugt keine Kälte. Sie bremst Wärme aus der Umgebung. Gut dämmendes Material und dickere Platten können das Eis länger erhalten.

2 · Schichten

Vergleiche denselben Aufbau mit und ohne zweite Dämmschicht.

Teste zuerst ohne zweite Schicht und drücke danach „Merken A“.
Ergänze über „Genauer einstellen“ eine zweite Dämmschicht. Lass die ersten Platten und alle anderen Einstellungen gleich.
Teste erneut. Vergleiche den Wärmeeintrag mit A; weniger eingedrungene Wärme ist besser.

Jede Dämmschicht erschwert der Wärme den Weg. Im Modell addieren sich die Wärmewiderstände. Für einen fairen Vergleich bleibt die erste Schicht unverändert.

3 · Strom sparen

Erreiche nach 30 Minuten höchstens 6 °C mit maximal 10 Wh Strom; Zieltemperatur 5 °C.

Tausche die Metallplatten gegen Dämmplatten. Setze die vier Kühlteile ein und verbinde alle Rohre.
Lass Raumtemperatur 26 °C, Anfangstemperatur 8 °C und Zieltemperatur 5 °C. Teste 30 Modellminuten.
Vergleiche Innenraum und Stromverbrauch. Verändere nur Dämmung, Wärmetauscher, Belüftung oder Leistung und teste erneut.

Der Verdampfer nimmt innen Wärme auf. Der Kompressor braucht Strom; der Verflüssiger gibt außen Wärme ab. Gute Dämmung verringert die Wärme, die wieder hineinläuft.

4 · Warmer Vorrat

Zeige: Mehr Vorrat bei 24 °C kühlt bei gleichem Aufbau langsamer ab.

Teste den vorbereiteten Kühlschrank mit 0,5 kg Vorrat und drücke „Merken A“.
Erhöhe nur die Vorratsmenge unter „Genauer einstellen → Wandaufbau, Größe & Vorrat“.
Teste erneut und vergleiche die Temperatur nach 30 Minuten. Halte Raum 26 °C und Anfangstemperatur 24 °C gleich.

Mehr Vorrat besitzt bei gleicher Temperatur mehr Wärmekapazität. Die gleiche Kühlmaschine muss dann mehr Wärme abführen, um die gleiche Abkühlung zu erreichen.

Selbst bauen und testen

Die Messwerte verstehen

Innenraum · °C

Die Temperatur im Inneren. Kleiner bedeutet kälter. Das Eis kann eine andere Temperatur als die Luft haben.

Eis übrig · %

100 % bedeutet: Der Eiswürfel ist noch vollständig gefroren. 0 % bedeutet: Er ist vollständig geschmolzen.

Stromverbrauch · Wh

Die elektrische Energie des gesamten Versuchs. Je kleiner der Wert, desto weniger Strom hat der Kompressor gebraucht.

Kühlleistung · W

Wärme, die die Maschine gerade pro Sekunde aus dem Innenraum holt. Das ist nicht ihr Stromverbrauch. Bei einer Thermostatpause steht hier 0.

So beginnt euer Kind

Der Baukasten zeigt immer einen nächsten Schritt: Boden einsetzen, Wände einsetzen, Deckel einsetzen und testen. Baut so zuerst eine Box aus Boden, Wänden und Deckel. Vergleicht zwei gleich lange Versuche und ändert dabei nur einen Wandbereich. Dann wird aus derselben Box ein Kühlschrank: vier Kühlteile nacheinander einsetzen und mit „Kühlteile mit Rohren verbinden“ schließen. Jedes Rohr bleibt im erweiterten Baukasten einzeln veränderbar. Fragt zuerst: Was wird ohne Strom besser, und wofür braucht die Maschine Strom? Die kurzen Bau-Tipps erklären den aktuellen Aufbau; die tieferen Regler bleiben über „Genauer einstellen“ erreichbar. Im gelben Nallo-Band steht das Ziel des gewählten Auftrags. Den nächsten Schritt zeigt die Bauwerkstatt. „So funktioniert der Versuch“ enthält für jeden Auftrag drei konkrete Schritte. „Nallo fragen“ erklärt genau diesen Auftrag.

Was passiert im Kühlkreislauf?

Im Verdampfer nimmt das kalte Kältemittel bei niedrigem Druck Wärme aus dem Innenraum auf. Der Kompressor verdichtet den Dampf und benötigt dafür Arbeit. Im äußeren Wärmetauscher, dem Verflüssiger, wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Nach der Drossel sinken Druck und Temperatur wieder. Die bewegten Markierungen verfolgen diesen geschlossenen Weg; sie sind keine Luft, die durch den Kühlschrank strömt.

Was lässt sich wirklich bauen?

Boden, Seitenwände und Deckel sind getrennte Wandbereiche. Ihr könnt Material und Dicke unabhängig wählen oder einen Bereich offen lassen. Das Wärmenetz gewichtet Boden und Deckel mit je 20 %, die Seitenwände mit 60 % der Fläche. Offene Bereiche werden als starke, vereinfachte Wärmebrücken modelliert. Die Kühlung arbeitet erst, wenn Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Drossel eingebaut und alle vier Rohrabschnitte verbunden sind. Die Plätze geben einen fachlich passenden Kreislauf vor; die Montage ist keine Anleitung für echte Kältemittelanlagen.

Wände und Vorrat selbst bauen

Die Wand kann aus zwei Materialien bestehen. Im vereinfachten Modell addieren sich deren Wärmewiderstände; die Reihenfolge der Schichten verändert die stationäre Wärmeleitung nicht. Eine größere Box besitzt mehr Oberfläche. Mehr Vorrat erhöht die Wärmekapazität: Bei gleicher Anfangstemperatur braucht die gleiche Temperaturänderung mehr Energie. Für diesen Vergleich nur die Vorratsmenge ändern. Ein zweiter Dämmstoff wird erst berücksichtigt, wenn seine Schicht dicker als null ist. Die zweite Dämmschicht gilt für alle eingebauten Platten; offene Wandbereiche bleiben offen. Plattenauswahl und erste Dämmschicht gelten dagegen nur für den ausgewählten Bereich.

So lässt sich fair vergleichen

Lasst euer Kind zuerst vermuten, welche Wand besser dämmt. Merkt einen abgeschlossenen Versuch und verändert nur Material oder Dicke. Raumtemperatur, Türstellung und Anfangstemperatur bleiben gleich. Kühlbox und Kühlschrank beginnen standardmäßig beide bei 8 °C. Für einen warmen Vorrat könnt ihr die Anfangstemperatur bewusst erhöhen. Vergleicht anschließend zwei Kühlschränke bei derselben Zieltemperatur: einmal mit freier, einmal mit behinderter Belüftung des äußeren Wärmetauschers.

Eine häufige Verwechslung

Eine dicke Wand erzeugt keine Kälte. Sie verlangsamt den Wärmeaustausch. Auch der Kühlschrank vernichtet die Wärme nicht. Er transportiert sie und gibt zusätzliche Wärme aus der eingesetzten Energie ab. Die angezeigte Kühlleistung in Watt ist darum nicht dasselbe wie der elektrische Verbrauch.

Gemeinsam ohne Bildschirm

Vergleicht zwei gleiche Eiswürfel in gleich großen, geschlossenen Behältern, einmal mit und einmal ohne zusätzliche Dämmung. Stellt beide an denselben Ort und beobachtet nach derselben Zeit. Am echten Kühlschrank kann ein Erwachsener zeigen, wo Wärme abgegeben wird. Keine Verkleidung öffnen und keine Rohre verändern.

Modell und Grenzen

Das Modell bilanziert Wärmeleitung durch die Wand, einen vereinfachten Türwärmeeintrag, Wärmekapazität und Schmelzwärme von 120 g Eis. Es verwendet eine idealisierte, temperaturabhängige Leistungszahl mit einem Wirkungsgradfaktor; größere Wärmetauscher und bessere Belüftung verringern die modellierte Temperaturdifferenz im Kühlprozess. Es berechnet keine stoffgenauen Kältemitteldrücke, keine Feuchte und keine dreidimensionale Luftströmung. Temperaturen sind Lernwerte und keine Planung für einen echten Kühlschrank. Die rote Wärmestromanzeige zeigt Leistung, nicht die Geschwindigkeit einzelner Moleküle. Innenvolumen und Vorratsmasse verändern Oberfläche und Wärmekapazität. Die thermische Masse der Wand ist vereinfacht zusammengefasst; einzelne Wandschichten besitzen keinen eigenen Temperaturverlauf. Der passive Eisvorrat und der Innenraum starten in beiden Betriebsarten mit identischen Bedingungen. Bei einem warmen Vorrat kann Wärme auch nach außen fließen.

So forscht ihr weiter

Schreibt eure Vermutung vor dem Start auf. Merkt einen abgeschlossenen Versuch als A. Verändert möglichst nur eine Sache und testet erneut. Das Ergebnis bewahrt die Vermutung und nennt die geänderten Teile. Wenn ein Auftrag gleiche Bedingungen verlangt, zeigt die Rückmeldung, welche Bedingungen ihr wiederherstellen solltet. Freies Bauen bleibt jederzeit möglich.