Tag Archive for: Schmelzwärme

Experiment: DIY – Taschenwärmer für kalte Wintertage

DIY Taschenwärmer mit Natriumacetat

Aus gegebenem Anlass habe ich auch an diesem Montag ein Experiment für euch: Denn es ist arktisch kalt draussen. Da kommen euch Taschenwärmer mit Sicherheit sehr gelegen. Und die könnt ihr aus ganz einfachen Zutaten aus dem Haushalt selbst machen – und euch mit einem ganz ungefährlichen Chemie-Trick warm halten! Und so macht ihr euch eure eigenen DIY – Taschenwärmer :

Ihr braucht dazu

  • Soda (Natriumcarbonat, zum Beispiel Waschsoda oder Backpulver)
  • Haushaltsessig (bzw. Essigessenz)
  • Einen wasserdichten Plastikbeutel (zum Beispiel einen „Ziplock“-Beutel)
  • Die Aluminiumhülse eines Teelichts
  • Ein Gefäss mit hohem Rand
  • Kochtopf, Herd, Backofen, Rührstab
  • Ein ganz sauberes Glasgefäss
  • Evtl. Trichter und Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter)
  • eine Schutzbrille (das ist sicherer, damit nichts in eure Augen spritzt)

 

Das braucht ihr für einen DIY Taschenwärmer

Wie ihr einen Taschenwärmer herstellt

Zuerst müsst ihr Natriumacetat herstellen

Das ist das spezielle Salz, das ihr später in den Taschenwärmer füllt. Ihr könnt es auch in der Apotheke oder Drogerie kaufen – dann könnt ihr diesen Abschnitt überspringen. Aber das wäre dann ja nur ein halbes DIY.

Gebt für einen kleinen Handwärmer etwa 250 ml Haushaltsessig (das sind ca. 10% Essigsäure gelöst in Wasser) in das Gefäss mit dem hohen Rand.

Essig und Soda für den Handwärmer

Essig und Soda: Wenn ihr sie abmessen möchtet, helfen Messbecher und Waage. Diesen Messbecher benutze ich übrigens nur fürs Experimentieren! Für die Küche habe ich einen eigenen – das ist sicherer.

Gebt langsam(!) etwa 25 g Soda dazu. Das Gemisch wird stark aufschäumen! Wenn ihr die Soda langsam hinzugebt, schäumt es nicht über. Wenn sich die Soda vollständig unter Schäumen gelöst hat, gebt langsam noch etwas mehr dazu, bis das Aufschäumen nachlässt (Ihr könnt die passende Menge auch genau ausrechnen, wie ich es beim Start meiner Essig-Carbonat-Rakete gezeigt habe). Rührt dabei immer gut um!

Wenn ihr ganz sicher gehen wollt, könnt ihr den pH-Wert der Mischung mit einem pH-Streifen überprüfen: Essig ist eine Säure, die einen Universalindikatorstreifen rot färbt (pH < 7). Wenn die Säure durch die Soda neutralisiert ist, färbt sich der Streifen grün (pH = 7). Dann ist euer Mischungsverhältnis genau richtig. Wenn ihr zu viel Soda – eine Base – hinzu gebt, wird der Streifen blau (pH > 7). Falls das passiert, gebt einfach noch ein paar Tropfen Essig dazu, bis der pH-Wert stimmt.

Ihr habt nun eine Lösung des Salzes Natriumacetat in Wasser. Gebt diese in ein Gefäss, das ihr erhitzen könnt, und lasst das Wasser auf dem Herd einkochen. In meinem relativ grossen Kochtopf ist die Flüssigkeit breit auf der Herdplatte verteilt – so verdampft sie schneller als in einem engen Gefäss.

Natriumacetat-Lösung auf dem Herd

Den ausrangierten Kochtopf benutze ich zum Kochen nicht mehr. Zum Experimentieren taugt er aber noch: Es bilden sich bereits Dampfbläschen in der Lösung.

Der zurückbleibende weisse Feststoff darf nicht heisser als 324°C werden – ab dieser Temperatur zerfällt das Natriumacetat! Passt daher gut auf und nehmt den Topf von der Platte, sobald kein Wasser mehr sichtbar ist (wenn ihr meinen Beitrag über Schmelz- bzw. Verdampfungswärme gelesen habt, wisst ihr, dass siedendes Wasser nicht heisser als 100°C werden kann).

Natriumacetat nach dem Abdampfen

Das Wasser ist verdampft – jetzt kratze ich das feuchte Salz aus dem Topf.

Stellt das noch feuchte Natriumacetat anschliessend ca. 45 Minuten bei 150°C in den Backofen, um es ganz zu trocknen.

Natriumacetat im Ofen

Umgefüllt in ein handliches Gefäss (nicht zwingend nötig) kann das Natriumacetat nun trocknen.

 

Bereitet jetzt die Füllung für den Taschenwärmer vor

Während das Natriumacetat trocknet, schneidet ihr ein handliches Plättchen aus dem Boden der Aluminium – Teelichthülse. Das Metall ist so dünn, dass es sich problemlos mit einer Küchenschere schneiden lässt. Legt den Plastikbeutel und das Plättchen bereit. Bringt schliesslich noch etwas Wasser zum Kochen.

Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

Stellt das Natriumacetat auf der Herdplatte bereit (ich habe es der Handlichkeit wegen vor dem Trocknen und jetzt noch einmal umgefüllt – das ist aber nicht zwingend nötig). Gebt ein wenig kochendes Wasser dazu (je 1 ml Wasser auf 9 g Natriumacetat!) und schaltet sofort die Herdplatte ein, sodass das Gemisch weiterhin beinahe kocht. Wenn ihr gut umrührt, löst sich das Salz vollständig im heissen Wasser. Falls nicht, gebt tropfenweise mehr Wasser hinzu.

Natriumacetat löst sich in heissem Wasser.

Links: Hier muss ich noch etwas rühren. Rechts: Das Salz hat sich vollständig aufgelöst. Jetzt noch schnell filtrieren, dann ist die Füllung für den Taschenwärmer fertig!

Jetzt wird es ein wenig kniffelig: Wärmt euren Trichter am besten vor, indem ihr ihn unter fliessendes heisses Wasser haltet (verbrüht euch eure Finger aber nicht!). Legt das Filterpapier ein und filtriert die heisse Lösung schnell in das sehr saubere Gefäss. Ich habe das saubere Gefäss dazu auf die noch heisse Herdplatte gestellt, denn die Lösung darf bei diesem Schritt nicht abkühlen!

Ihr habt nun eine heisse, klare Natriumacetat-Lösung, die keinerlei sichtbaren Partikel mehr enthält. Bewegt diese Lösung möglichst nicht mehr und lasst sie an der Raumluft abkühlen. Dabei sollte die Flüssigkeit klar und – natürlich – flüssig bleiben. Falls beim Abkühlen Kristalle entstehen, erwärmt den Behälter noch einmal auf der Herdplatte, bis die Kristalle verschwunden sind und lasst ihn wieder abkühlen.

Jetzt könnt ihr euren Taschenwärmer füllen und benutzen

Giesst die abgekühlte Natriumacetat-Lösung vorsichtig in den Plastikbeutel. Fügt das ausgeschnittene Aluminium-Plättchen hinzu und verschliesst den Beutel fest.

Wenn euch kalt ist, knickt das Plättchen (es muss dabei in der Flüssigkeit liegen), bis der Inhalt des Beutels fest zu werden beginnt. Ihr werdet merken: Sobald das Natriumacetat fest wird, wird es ziemlich warm!

Handwärmer in Aktion

Zugegeben: Mein Ziplock-Beutel ist etwas zu gross für das Bisschen Natriumacetat. Aber das macht nichts: Warm wird es trotzdem – das Thermometer beweist es!

Haltet den Beutel in den Händen oder steckt ihn in eine Tasche und geniesst die Wärme!

Ihr könnt diesen Taschenwärmer ausserdem beliebig wiederverwenden:

Legt den Beutel mitsamt Inhalt in kochendes Wasser und die Natriumacetat-Kristalle werden sich wieder auflösen. Lasst den Beutel langsam abkühlen. Wenn euch wieder kalt ist, knickt das Metallplättchen erneut, sodass wiederum Kristalle entstehen und dabei Wärme freisetzen!

Was passiert da?

…Bei der Herstellung von Natriumacetat

Der Taschenwärmer-Trick funktioniert mit einem ganz besonderen Salz, das ihr aus Essigsäure (CH3COOH) und Natriumcarbonat (Na2CO3, Soda) herstellen könnt. Essig ist eine Säure, Natriumcarbonat hingegen eine Base. Beide reagieren miteinander, indem sie sich neutralisieren. Das heisst, aus einer relativ starken Säure und Base entstehen sehr viel schwächer saure und basische Stoffe:

Kohlensäure (H2CO3) ist nicht nur eine sehr schwache Säure, sondern zerfällt zudem leicht in Kohlenstoffdioxid und Wasser:

Das Gas Kohlenstoffdioxid steigt aus der Lösung auf (Deswegen schäumt das Ganze so. Ausserdem ist dieses Gas ein prima Treibstoff für viele andere spektakuläre Experimente!). So erhaltet ihr eine Lösung, die ausschliesslich Natrium (Na+)- und Acetat (CH3COO–)-Ionen enthält. Wenn ihr nun das Wasser einkocht und trocknet, bleibt das feste Salz Natriumacetat übrig:

Warum Natriumacetat „auf Kommando“ fest wird

In warmem Wasser löst sich mehr von einem Stoff als in kaltem Wasser. Das gilt auch für Natriumacetat. Deswegen macht ihr das Wasser so heiss wie möglich, um möglichst viel Natriumacetat in sehr wenig Wasser aufzulösen.

Wenn solch eine heisse Lösung abkühlt, „vergisst“ das Natriumacetat leicht, dass es fest werden sollte. So bleibt auch in kaltem Wasser mehr gelöst, als „erlaubt“ ist. Die Chemiker nennen so etwas eine übersättigte Lösung. Und diese spezielle übersättigte Lösung kann man auch als unterkühlte Schmelze ansehen – denn wenn ihr euren Taschenwärmer genau anseht, nachdem er seine Wärme angegeben hat, werdet ihr feststellen, dass von dem Wasser darin nicht mehr viel zu sehen ist: Nahezu der ganze Inhalt ist zu Kristallen erstarrt!

Ob übersättigte Natriumacetat-Lösung  oder unterkühlte Natriumacetat-Schmelze: Das Ganz ist sehr empfindlich. Ein „Tritt in den Hintern“ durch das Knicken des Plättchens oder in der Lösung herumwirbelnde Schwebstoffe oder ein winzigkleiner Natriumacetat-Kristall genügen, um das Salz daran „zu erinnern“, dass es fest zu werden hat. Deshalb muss das Gefäss, indem die Natriumacetat-Lösung abkühlt, so vollkommen sauber sein.

Ansonsten – oder wenn ihr den Prozess durch das Knicken des Metallplättchens gezielt auslöst – geschieht folgendes:

Das heisst, das Wasser, das euch anfangs als Lösungsmittel gedient hat, wird grösstenteils in die Natriumacetat-Kristalle eingebaut. Die Kristalle enthalten also Kristallwasser! Der Stoff rechts vom Reaktionspfeil heisst deshalb korrekterweise „Natriumacetat-Trihydrat“.

Und nun der Trick: Woher die Wärme kommt

Der Umstand, dass es sich bei der Natriumacetat-Lösung in eurem Taschenwärmer eigentlich um eine Schmelze handelt, macht den Trick mit der Wärme möglich: Wie ihr auch an Wasser überprüfen könnt, wird zum Schmelzen Energie – die sogenannte Schmelzwärme – benötigt, die anschliessend der Schmelze innewohnt.

Das gilt auch für eine Natriumacetat-Schmelze, die auf Umwegen, nämlich durch das Auflösen von Natriumacetat in wenig Wasser, entsteht: Die Wärme wird dabei aus der Herdplatte bzw. dem kochenden Wasser in der Lösung „entnommen“ und in der Schmelze gespeichert (d.h. ohne Herdplatte würde das Wasser durch das Auflösen des Natriumacetats abkühlen!). Das heisst, diese Energie verbleibt in der Schmelze auch dann verborgen, wenn sie abkühlt. Erst wenn die unterkühlte Schmelze wieder „auf Kommando“ fest wird, wird diese Energie wieder abgegeben – und eure Hände werden warm!

Ich wünsche euch damit einen warmen Start in die kälteste Woche dieses Winters! Und verratet uns doch: Was tut ihr, um euch warm zu halten?

Hast du das Experiment nachgemacht:

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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Die Challenge mit der Kältemischung : Warum tun Eis und Salz auf der Haut so weh?

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Vor fünf Jahren machte erstmals die „ice and salt challenge“ um eine erstaunliche Kältemischung auf Youtube die Runde: Youtuber streuen sich Kochsalz auf die nackte Haut und fügen dann Eiswürfel hinzu. Das Ganze wird augenscheinlich sehr kalt – und die Challenge besteht darin, die Kälte lange genug zu ertragen.

Vor einem Jahr schlug diese Schnapsidee einmal mehr Wellen in den Medien:

Denn diese Challenge ist gefährlich!

Das Körpergewebe wird nämlich durch Kälte genauso verletzt wie durch Hitze: Eis und Salz werden gemeinsam so kalt, dass sogenannte Kaltverbrennungen bis zweiten oder dritten Grades die Folge sein können!

So fragt eine Leserin berechtigterweise: Warum tun Eis und Salz gemeinsam auf der Haut so weh?

Die Antwort lautet: Weil das Gemisch sehr kalt wird! Mischt man Eis und Kochsalz zu gleichen Teilen, kann die Temperatur des Gemischs auch in wärmerer Umgebung vom Schmelzpunkt reinen Wassers bei 0°C auf bis zu -17°C absinken!

Warum Eis mit Salz besonders kalt wird

Eigentlich gibt es in der Physik die Eigenschaft „Kälte“ nicht. Was wir als Kälte empfinden, ist das Resultat nicht vorhandener Wärme – also geringer Energie. Wenn etwas kalt wird, wird ihm also Energie entzogen. Und diese Energie darf nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht einfach verschwinden.

Tut sie auch nicht: In einem Gemisch aus Eis und Kochsalz spielen mehrere Phänomene, die Wärme für ihre Zwecke vereinnahmen, zusammen:

Schmelzwärme: Das Schmelzen erfordert Energie!

Der Versuch, den ich letzten Freitag hier verbloggt habe, hat gezeigt: Schon der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, in diesem Zusammenhang „Schmelzwärme“ genannt, die dem schmelzenden Stoff und seiner Umgebung in Form von Wärme entzogen wird: Die Temperatur an der Oberfläche schmelzenden Eises stellt sich auf 0°C ein und steigt auch in wärmerer Umgebung nicht an.

Ebenso wenig nimmt sie weiter ab: Während am Schmelzpunkt, der auch Gefrierpunkt genannt wird, Wasserteilchen aus dem festen Eis-Gitter beweglich, also flüssig werden, ordnen sich andere, bewegliche Wasserteilchen wieder ins Gitter ein, werden also fest. Und dabei wird entsprechend Schmelzwärme freigesetzt.
Eis und Wasser befinden sich in einem Gleichgewicht, wie Le Châtelier es am Flughafen beschreibt!

Sobald sich dieses Gleichgewicht eingestellt hat, wird ebenso viel Schmelzwärme freigesetzt wie aufgenommen: Die Temperatur der beteiligten Stoffe ändert sich nicht.

Gelangt nun aus der Umgebung Wärme in dieses System, so verschiebt sich das Gleichgewicht weg von der Seite mit Wärme und damit hin zum flüssigen Wasser: Das Eis schmilzt.

Gefrierpunktserniedrigung: Wassermoleküle sind nicht multitaskingfähig!

Der Gefrierpunkt einer Kochsalzlösung in Wasser ist niedriger als der Gefrierpunkt von reinem Wasser. Dabei gilt: Je höher die Konzentration der Lösung (d.h. je mehr Salz mit dem Wasser vermischt) ist, desto niedriger ist ihr Gefrierpunkt. Chemiker und Physiker nennen diesen Effekt „Gefrierpunktserniedrigung“.

Das Auflösen von Kochsalz, also Natriumchlorid, in Wasser bedeutet, dass sich die Natrium- und Chlorid-Ionen einzeln mit den Wassermolekülen mischen. Dabei wird jedes Ion von einer bestimmten Anzahl Wassermoleküle eingehüllt (Chemiker sagen „hydratisiert“). Diese Wassermoleküle, die mit dem Einhüllen von Ionen „beschäftigt“ sind, stehen damit nicht mehr für das Gefrieren – also der Umwandlung von flüssigem Wasser zu Eis, in der Gleichung oben von rechts nach links – zur Verfügung.

Gemäss dem Gesetz von Le Châtelier verschiebt sich das Gleichgewicht zum flüssigen Wasser, um den „Verlust“ an flüssigem Wasser auszugleichen: Es schmilzt nun mehr Eis, als es erstarrt. Damit wird mehr Schmelzwärme aufgewendet, als frei wird: Die Temperatur nimmt ab – und zwar so lange, bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt hat.

Das geschieht, wenn die Temperatur der Mischung den Gefrierpunkt von Salzwasser-Eis erreicht hat. Erst dann kann nämlich das Wasser mitsamt der eingehüllten Ionen zu einem festen Stoffgemisch erstarren – vorher bildet sich auch aus Salzwasser, wenn überhaupt, nur reines Wassereis.

Was macht die Kälte für uns gefährlich?

Die biochemischen Reaktionen, die in unseren Zellen und Geweben ablaufen, sind darauf ausgelegt, bei rund 37°C – in unserer Haut auch bei ein paar Grad darunter – abzulaufen und optimal zusammen zu spielen. Sinkt die Temperatur in einem Körpergewebe darunter, werden die Stoffwechselreaktionen zunächst langsamer. Das ist nicht weiter tragisch – so lange die komplexen, ebenfalls auf 37°C ausgelegten Molekülstrukturen, aus denen wir bestehen, durch das Abkühlen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Sobald das geschieht, gerät der Stoffwechsel der betroffenen Zellen spätestens bei der Wiederannäherung an die Betriebstemperatur (also wenn das Gewebe wieder warm wird), aus dem Tritt. Ab einem gewissen Grad des molekularen Durcheinanders veranlassen solche Zellen ihre Selbstzerstörung und begehen Selbstmord, bevor ihre Funktionsstörung ihre Nachbarn grossartig beschädigen können (Die Molekularbiologen nennen diesen programmierten Zelltod „Apoptose“).

Wenn den beschädigten Zellen jedoch nicht die Zeit bzw. die Energie bleibt, um die kontrollierte Selbstzerstörung zu durchlaufen – weil sie zum Beispiel zu schnell kalt oder heiss werden oder anderweitig drastisch beschädigt werden, kommt es zu einem zellulären GAU („grössten anzunehmenden Unfall“): Die Zellen werden unkontrolliert zerstört und neben Alarmsignal-Stoffen (einem molekularen „Hilfeschrei“) gelangen durch die zerstörten Zellwände Stoffe aus dem Zellinneren ins „Freie“, die den Nachbarzellen gefährlich werden können. Wir nehmen das als Entzündungsreaktion, Rötung, Schwellung, Schmerzen, und – wenn sichtbar grosse Gewebeabschnitte betroffen sind – als hässliche Wunden – Zell-Schrott eben – wahr (Molekularbiologen nennen diesen unkontrollierten Zelluntergang „Nekrose“).

Da in unkontrolliert entstandenem Zell-Schrott keine geordneten biochemischen Reaktionen und keine Blut- und damit Sauerstoffversorgung mehr möglich sind, kann „nekrotisches“, d.h. in einem „GAU“ untergegangenes Gewebe nicht mehr heilen. Ebenso wenig funktioniert in solchen Gewebebereichen die Immun-Abwehr, sodass nekrotisches Gewebe leicht von Bakterien oder anderen unliebsamen Gästen infiziert werden kann.

Dabei macht es praktisch keinen Unterschied, ob der zelluläre GAU von starker Hitze oder starker Kälte herrührt: Kalt-Verbrennungen und Heiss-Verbrennungen unterscheiden sich in ihren Folgen nicht wesentlich. Das Auftreten von unumkehrbar zerstörtem Gewebe durch Hitze oder Kälte entspricht damit einer Verbrennung dritten Grades. Und gemäss so mancher Bilder, die ich auf Youtube gesehen habe, scheinen Kalt-Verbrennungen zweiten bis dritten Grades mit einer Kältemischung, die zu lange auf der Haut verbleibt, problemlos machbar zu sein!

Wozu kalte Sachen weh tun

Der menschliche Körper schützt sich vor Kalt- ebenso wie vor Heiss-Verbrennungen: Die Haut ist mit Schmerz-Rezeptoren ausgerüstet, die bei Hitze- und Kältereizen schmerzhaften Grossalarm auslösen und dafür sorgen, dass wir uns reflexartig von der Hitze- oder Kältequelle entfernen, bevor es zum Schlimmsten kommt.

Normalerweise jedenfalls. Wer sich an der „ice- and salt-challenge“ beteiligt, bemüht sich darum, genau diesen Schutzreflex zu unterdrücken. Je „erfolgreicher“ man darin ist, desto gefährlicher werden die Verletzungen, die daraus resultieren können!

Ich rate daher dringend vom Nachmachen ab!

Wie ihr trotzdem mit der Gefrierpunktserniedrigung experimentieren könnt

Anstatt ein Eis-Kochsalz-Gemisch auf eure Haut zu bringen, könnt ihr Eiswürfel oder Schnee und Salz ebenso gut in einem Behälter (am besten aus Kunststoff oder Edelstahl – Glas und Keramik können bei schneller Temperatur-Änderungen schonmal zerspringen!) miteinander mischen und die Temperaturabsenkung mit einem Thermometer messen.

Dabei könnt ihr gleich eure eigene Challenge veranstalten: Wer erreicht mit seinem Eis-Kochsalz-Gemisch die niedrigste Temperatur?

Wenn ihr unbedingt selbst fühlen möchtet, wie kalt das Gemisch wird, dann nehmt die Finger gleich wieder weg, sobald es euch unangenehm wird (das ist in der Regel innerhalb von Sekunden der Fall)!

Chemiker nutzen solche „Kältemischungen“ aus Eis und Kochsalz übrigens gerne im Labor, um Reaktionsgefässe ohne aufwändige Elektrogeräte (ausser der Eiswürfelmaschine bzw. dem Tiefkühlfach) wirksam zu kühlen: So können Reaktionen, bei denen sehr viel Energie frei wird, im Zaum gehalten oder gasförmige Stoffe im Gefäss verflüssigt werden.

Seid ihr auch schon mit der „ice-salt-challenge“ in Berührung gekommen oder habt gar daran teilgenommen? Oder habt ihr schonmal eine Kältemischung zum Kühlen verwendet?

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Eis und heiss – Schmelzwärme im Experiment

Eis und heiss: Erforsche die Schmelzwärme

Der Winter ist die perfekte Zeit für Experimente mit Eis und Schnee. Ein ganz einfaches habe ich heute für euch – Aber Achtung! Es besteht die Gefahr, dass es das ein oder andere Weltbild erschüttert!

Wenn man etwas in einen Topf füllt und das Ganze auf dem Herd erhitzt, wird es stetig wärmer. Klar. Wärme ist schliesslich eine Form von Energie, die von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann, und dabei nicht verloren gehen darf….Wirklich? Habt ihr schon einmal versucht, Eiswasser zu erwärmen?

Ihr braucht dazu

  • einen Herd
  • einen kleinen Kochtopf (der Topf auf dem Artikelbild ist zu gross bzw. enthält zu wenig Eis!)
  • Eis oder Schnee von draussen oder Eiswürfel aus dem Tiefkühlfach (ihr solltet den Topf gut damit füllen können)
  • kaltes Leitungswasser
  • einen Kochlöffel zum Rühren
  • ein Thermometer mit einem Anzeigebereich mindestens von -10°C bis +50°C, besser +100°C
  • etwas zum Schreiben (z.B. Tafel oder Notizblock)
  • ggfs. eine Uhr

Wie ihr das Experiment durchführt

  • Füllt Eis oder Schnee in den Topf und gebt ein wenig kaltes Wasser dazu. Der Boden des Topfes sollte mindestens 1cm hoch mit Wasser bedeckt sein (das Thermometer muss eintauchen können).
  • Messt sofort die Temperatur des Eiswassers und notiert sie
  • Stellt den Topf mit dem Eiswasser auf den Herd und heizt langsam ein. Rührt dabei laufend um.
  • Behaltet das Thermometer dabei im Wasser. Beobachtet während des Rührens die Anzeige. Ihr könnt in regelmässigen Zeitabständen die Temperatur notieren.

Was ihr beobachten könnt

  • Die Temperatur steigt von negativen Werten bis auf 0°C, zunächst aber nicht nennenswert darüber hinaus!
  • Das Eis schmilzt langsam, sobald eine Temperatur von 0°C erreicht ist.
  • Erst nachdem alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des Wassers merklich an.
Nach dem Schmelzen steigt die Temperatur schnell an.

Erst nachdem das Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur schnell an. Damit dieses Phänomen deutlich messbar wird, solltet ihr den anfangs gut mit Eis und mit wenig Wasser gefüllten Topf langsam erwärmen!

Was passiert da?

Die Energie in Form von Wärme, die von der Herdplatte ausgeht, scheint zu verschwinden, anstatt in den Topf und seinen Inhalt über zu gehen! Laut dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist aber genau das – das Auftauchen oder Verschwinden von Energie aus bzw. in dem Nichts – verboten!

Aber keine Sorge – ich habe die Physik nicht aus den Angeln gehoben. Der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, die während des Schmelzvorgangs in dem verflüssigten Stoff „gespeichert“ wird. Was Energie eigentlich ist und in welcher Weise sie umgewandelt und weitergegeben werden kann, hat sie uns in diesem Artikel übrigens selbst verraten.

Warum nun ein Schmelzvorgang Energie erfordert, und in welcher Weise sie in geschmolzenen Stoffen Eingang findet, erkläre ich anlässlich meines persönlichen AHA-Erlebnisses mit diesem Experiment hier genauer. Kurzum: Wärme ist eigentlich nichts anderes als Bewegung – und alle Stoffe bestehen aus mehr oder minder bewegten kleinen Teilchen. Beim Schmelzen gewinnen diese Teilchen ein neues „Level“ der Bewegung, das wir nicht als Wärme wahrnehmen – sondern als veränderte Beweglichkeit des ganzen Stoffes: Was vorher fest und greifbar war, ist nach dem Schmelzen flüssig und rinnt uns durch die Finger!

Wie ihr noch weiter forschen könnt

Die Schmelzwärme lässt sich wieder freisetzen

Natürlich könnt ihr die in Beweglichkeit verwandelte Energie wieder zurück verwandeln. Stellt einen Behälter mit dem eben geschmolzenen Wasser einfach ins Tiefkühlfach – oder, wenn es draussen friert, auf die Terrasse oder den Balkon. Mit der Zeit wird das Wasser wieder erstarren, und die zum Schmelzen aufgewandte Energie geht dabei in Form von Wärme in die Umgebung über. Auf dem Balkon oder der Terrasse verliert sich diese Wärme schnell.

Wenn ihr aber einen freistehenden Tiefkühlschrank verwendet, fühlt einmal an dessen Rückseite. Die ist ganz warm! Sollte sie auch – der Tiefkühlschrank ist schliesslich eine Maschine, die ihrem Innenraum Wärme entzieht – auch die Schmelzwärme aus den Dingen, die wir darin „einfrieren“. Und laut den Gesetzen der Thermodynamik muss diese Wärme irgendwo hin  – vorzugsweise nach draussen. Genau da befördert die Tiefkühlschrank die Energie aus seinem Inhalt über verschiedene Stationen und Umwandlungen hin.

Verdampfungswärme: Das Gleiche „in Grün“

Wenn ihr ein Thermometer habt, das auch bei über 100°C noch funktioniert, könnt ihr das Experiment auf dem Herd einfach weiter laufen lassen. Nach dem Schmelzen der Eiswürfel wird die Temperatur des Wassers stetig ansteigen – bis sie rund 100°C erreicht. Das Wasser wird sieden und die Temperatur wird wieder weitgehend gleich bleiben – bis das Wasser vollständig verdampf ist. Erst der Wasserdampf kann theoretisch eine Temperatur über 100°C erreichen.

Auch das Verdampfen – der Vorgang, bei welchem eine Flüssigkeit zu einem Gas wird, verleiht dem Stoff ein neues Beweglichkeits-Level, das zu erreichen Energie erfordert.

Diesen Umstand habt ihr sicher schon einmal am eigenen Leib erlebt: Wenn ihr aus der warmen Dusche oder Badewanne steigt, verlangt es euch sicher ganz schnell nach einem Handtuch. Das warme, flüssige Wasser auf eurer Haut neigt nämlich dazu, recht rasch zu verdunsten – d.h. vor Erreichen des Siedepunkts zu Wasserdampf zu werden. Die dazu nötige Verdampfungswärme bezieht das Wasser dabei aus seiner Umgebung – und bedient sich dabei fleissig an eurer Körperwärme. Der Körper quittiert das dementsprechend ungehalten: Er signalisiert „es ist kalt!“ – und ihr friert im eigentlich warmen Badezimmer!

Wenn es im Sommer richtig heiss ist, nutze ich diesen Effekt übrigens gerne aus: Ich tränke einen Sonnenhut aus Stoff mit Wasser – das nicht unbedingt kalt sein muss – und setze ihn triefnass auf. Sonne und Umgebungswärme lassen das Wasser im Hut rasch verdunsten, wobei es einen guten Anteil der nötigen Verdampfungswärme aus meinem Kopf bezieht – der so überschüssige Körperwärme einfach los wird. So bewahre ich auch bei Hitze buchstäblich „einen kühlen Kopf“ – zumindest so lange, bis alles Wasser aus dem Hut verdunstet ist.

Habt ihr schon mit Schmelz- oder Verdampfungswärme experimentiert? Wenn nicht, probiert es unbedingt aus. Ich wünsche euch viel Spass dabei!

Hast du das Experiment nachgemacht: 

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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Meine Entdeckung der Schmelzwärme: Ein AHA-Erlebnis mit Folgen

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Schmelzwärme und ein AHA-Erlebnis

Dies ist eine wahre Geschichte um das rätselhafte Verschwinden von Wärme und davon, wie dieses Rätsels Lösung mein Leben prägte und zur Entstehung von Keinsteins Kiste führte. Zu all dem hat vor 20 Jahren das AHA-Erlebnis meines Lebens geführt, welches ich – ursprünglich im Rahmen einer Blogparade um AHA-Erlebnisse auf einem Blog, der heute nicht mehr existiert – hier mit euch teilen möchte.

 

Ein Versuch vor 20 Jahren

Als ich mit knapp 13 Jahren in meine erste Chemie-Stunde am Gymnasium ging, war meine Welt noch einfach. In der Physik war die Mechanik noch klassisch, und wenn man Dinge auf eine laufende Herdplatte stellte, wurden sie warm. Und zwar je länger man heizt, desto wärmer. Das hatte ich bis anhin bloss noch nicht mit Eiswasser probiert.

Genau das tat jedoch unser Chemielehrer in besagter erster Chemie-Stunde. ‚Eiswasser‘ meint einen Topf voll Eiswürfel, der mindestens bis zur Hälfte mit Leitungswasser aufgefüllt wird. Der Topf samt Eiswasser wurde unter stetem Rühren gleichmässig erhitzt. Ein Quecksilber-Thermometer zeigte dabei laufend die Temperatur des Topfinhaltes an.

Begonnen hat der Versuch mit einer Temperatur von vielleicht -5°C, welche für Eiswürfel in Wasser nicht ungewöhnlich ist. Und anfangs ist sie dann auch ganz wie erwartet angestiegen. Bei 0°C war dann aber unvermittelt Schluss mit dem Anstieg. Die Temperatur des Eiswassers blieb bei 0°C, von geringfügigen Schwankungen (nichts und niemand rührt perfekt gleichmässig ) einmal abgesehen. Da konnte der Lehrer so viel heizen, wie er wollte, es nützte gar nichts. Nur die Eiswürfel schmolzen immer weiter dahin.

 

Die Welt aus den Angeln gehoben: Wohin verschwindet die Wärme?

Schon bald wurde mir bei der Sache ziemlich unbehaglich. Wohin verschwand die Wärme, die eigentlich von der Herdplatte in Topf und Inhalt übergehen sollte? Einen Energie-Erhaltungssatz, der das grundlose Verschwinden und Entstehen von Wärme verbietet, hatte es zu jener Zeit in meiner Welt schon gegeben ( spätestens nach „Jim Knopf und die wilde 13“ hatte mein Vater mir die Hauptsätze der Thermodynamik darlegen müssen, um mich vom Nachbau des „Perpetumobils“ abzubringen – aber das ist eine andere Geschichte).

So nagte in mir die Frage, was mit der verschwindenden Wärme geschah. Hatte das Ganze mit dem Schmelzen der Eiswürfel zu tun? Würde die Welt wieder in Ordnung kommen, wenn alles Eis geschmolzen wäre? Die Unterrichtsstunde reichte nicht aus, um so lange zu warten. Aber als der Lehrer anbot, mit einem Freiwilligen in der grossen Pause noch einmal nachzusehen, wenn er den Versuch bis dahin weiterlaufen liesse, war ich auf der Stelle mit dabei.

Und zu meiner grossen Freude war die Welt in der Pause tatsächlich wieder in Ordnung: Das Eis war geschmolzen und die Temperatur im Topf stieg langsam wieder an. Erklärt war die verschwundene Wärme damit aber noch lange nicht. Meine Neugier war hingegen geweckt.

 

Wie Entwicklungs-Psychologen das AHA-Erlebnis beschreiben

Eineinhalb Jahrzehnte später sollte ich dann erfahren, was damals Bewegendes in mir vorgegangen ist, und weshalb mir jener Versuch zeitlebens in Erinnerung geblieben ist: In der Vorlesung zur pädagogischen Psychologie im Rahmen meiner Lehrerausbildung haben wir zwei unterschiedliche Lernwege kennengelernt.

Der übliche Lernweg besteht darin, dass eine neue Information, die in unser bestehendes Konzept unserer Welt passt, darin eingeordnet, also hinzugefügt wird. Dieses Vorgehen wird von den Fachleuten Assimilation genannt und findet zum Beispiel statt, wenn wir wissen, dass Wasser bei 0°C gefriert, und erfahren, dass Alkohol, eine andere Flüssigkeit, ebenfalls gefrieren kann, aber bei einer tieferen Temperatur.

Wenn unser Gehirn jedoch mit einer Information konfrontiert wird, die nicht ins bestehende Konzept passt, muss es den zweiten, wesentlich aufwändigeren Lernweg gehen: Was nicht passt, wird passend gemacht. Und da eine erhaltene Information nicht willkürlich geändert werden kann, muss zwangsläufig das Konzept angepasst werden. Die Fachleute nennen diesen Vorgang Akkomodation. Das Ergebnis einer solchen Anpassung ist mitunter ein regelrechtes AHA-Erlebnis, welches mehr oder minder tiefgreifende Folgen nach sich zieht.

 

Die Wärme verschwindet nicht: Kleine Teilchen liefern die Lösung

Im Falle des Eiswasser -Versuchs hat spätestens in der nächsten Unterrichtsstunde mein Chemielehrer die Welt wieder gerade gerückt: In den Augen der Chemiker (und auch der anderen Naturwissenschaftler) bestehen alle Stoffe aus unzähligen kleinen Teilchen. In einem Feststoff wie Eis sind diese Teilchen in regelmässiger Ordnung zusammengepackt, etwa wie ein Stapel Waren auf einer Euro-Palette. Anders als die Waren, die ruhig auf der Palette liegen (sollten), zittern die Teilchen im Feststoff jedoch ständig, und zwar umso stärker, je wärmer sie werden. Was wir als Wärme wahrnehmen, ist also nichts anderes als die Zitter-, oder besser Schwingungsenergie vieler, vieler kleiner Teilchen.

Wenn diese Teilchen irgendwann eine bestimmte Wärmemenge aufgenommen haben, können sie schliesslich aus der Ordnung ausbrechen und sich frei gegeneinander bewegen. Auf diese Weise entsteht aus einem Feststoff eine Flüssigkeit. Und Teilchen, die sich von einem Ort zum anderen bewegen, haben eine Bewegungsenergie, die sie zuvor im Feststoff nicht hatten (die Schwingungsenergie bleibt ihnen zusätzlich erhalten, denn auch die Teilchen der Flüssigkeit zittern munter weiter).

 

Übergänge zwischen den drei Aggregatzuständen


Die drei alltäglichen Aggregatzustände von Stoffen im Teilchenmodell: Beim Übergang vom Feststoff zur Flüssigkeit, dem Schmelzen, wird Wärme in Bewegungsenergie der Teilchen umgewandelt (ebenso wie bei allen anderen durch rote Pfeile dargestellten Übergängen). Beim jeweiligen Übergang in umgekehrter Richtung (blaue Pfeile) wird dieselbe Menge Energie wiederum in Wärme umgewandelt.

Die Bewegungsenergie der Teilchen entsteht – gemäss dem Energie-Erhaltungssatz – nicht aus dem Nichts, sondern durch Umwandlung der von der Herdplatte ausgehenden Wärme. So kann ein Stoff nicht weiter erwärmt werden, während er schmilzt. Die zum Schmelzen einer bestimmten Menge Teilchen aufzuwendende Wärmemenge wird dementsprechend Schmelzwärme oder auch Schmelzenthalpie genannt.

Beim Verdampfen einer Flüssigkeit spielt sich übrigens das Gleiche ab: Die Flüssigkeit wird nicht wärmer, während sie verdampft, da eine Verdampfungswärme genannte Wärmemenge aufgewendet wird, um der Bewegungsenergie der Teilchen eine neue Note zu verleihen (im Gaszustand bewegen die Teilchen sich frei im Raum anstatt im Verbund gegeneinander!).

 

Meine prägende Erkenntnis aus meiner ‚Entdeckung‘ der Schmelzwärme

Mit der Akkomodation meines Konzepts von Energie durch die Einführung einer mir völlig neuen Erscheinungsform der Energie in Gestalt der Bewegung kleiner Stoffteilchen, konnte ich nun das Kaltbleiben des Eiswassers auf der Herdplatte einordnen, ohne dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik, der Energieerhaltungssatz, verletzt wurde.

Die „Entdeckung“ der Schmelzwärme als solche wäre mir jedoch nicht über 20 Jahre so präsent im Gedächtnis geblieben. Eingeprägt hat sich mir vielmehr das überwältigende Gefühl, zunächst an die Grenzen der eigenen Welt zu stossen und diese dann zu aufregenden neuen „Ufern“ hin zu überschreiten. Und die Erkenntnis, die jenes erste Überschreiten in mir keimen liess: Die Welt birgt hinter unserem Tellerrand erstaunliche Geheimnisse. Und wir können sie entdecken und staunen, wenn wir nur genau hinschauen!

Von jenem Tag war mein Hunger nach solchen Geheimnissen und dem überwältigenden Gefühl ihrer Enträtselung geweckt und die Welt der kleinen Teilchen hat mich nicht mehr losgelassen. Mit den Jahren ist neben diesem Hunger auch der Wunsch, meine Faszination zu teilen, gewachsen. So habe ich inzwischen nicht nur die kleinen Teilchen studiert, sondern auch die Lehrerausbildung in Angriff genommen und darüber hinaus in der Blogosphäre eine wunderbare Plattform gefunden, um meine Leser ganz nach meinen Vorstellungen zu faszinieren. Somit wünsche ich viel Freude und Staunen beim weiteren Stöbern in Keinsteins Kiste.

Ihr könnt die Schmelzwärme übrigens auch selbst entdecken: Hier habe ich eine Anleitung für euch, wie ihr das Experiment mit dem AHA-Effekt bei euch zu Hause nachmachen könnt!

Und welches erstaunliche Phänomen hat deine Welt aus den Angeln gehoben?

 

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