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Latentwärmespeicher 06:31 min

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Transkript Latentwärmespeicher

Paul und Lea lieben Schneeballschlachten. Wenn nur nicht immer die kalten Hände wären. Da holt Paul ein kleines rotes Pack aus seiner Tasche. Das Pack fühlt sich schön warm an und die beiden wärmen ihre Hände daran. Lea sieht Paul fragend an. Was ist in diesem kleinen Pack und warum wird es so schön warm? Mit diesen Fragen wollen wir uns nun genauer beschäftigen. Bei diesem kleinen Pack handelt es sich um einen Taschenwärmer. Aber woraus besteht so ein Taschenwärmer eigentlich und wie funktioniert er?

Die Wärmekissen bestehen aus einer Salz-Wasser-Mischung, die in Kunststoff luftdicht verpackt ist. In der Mitte befindet sich ein Metallplättchen. Wird das Pack nun in heißem Wasser erwärmt, kannst du beobachten, wie die Salzmischung im Inneren flüssig wird. Diese Flüssigkeit bleibt auch beim Abkühlen des Wärmekissens bestehen. Wird nun das Metallplättchen in der Mitte des Kissens geknickt, wird der Taschenwärmer warm. Die Wärme, die durch das heiße Wasser dem System zugefügt wurde, wird also wieder frei. Bei der hier frei gegebenen Wärme spricht man auch von latenter Wärme. Das bedeutet so viel wie verborgene Wärme. Daher kommt auch der Name “Latentwärmespeicher”

Schauen wir uns dazu einen Versuch an. Das Salz, welches in Taschenwärmern zum Einsatz kommt, ist Natriumacetat Trihydrat. Wenn du nun 500 g dieses Salzes zusammen mit 50 ml Wasser in einem Becherglas mischst, dann löst sich das Salz nicht vollständig im Wasser. Wenn du das Gemisch nun zum Sieden bringst, löst sich das Salz in der Siedehitze vollständig auf. Nun lässt du die Lösung abkühlen.

Eigentlich ist zu erwarten, dass bei Raumtemperatur das Salz wieder auskristallisiert, da die Löslichkeit des Salzes im kalten Wasser wieder unterschritten wird. Im Experiment bleibt eine Kristallisation des Salzes allerdings aus.

Aber warum lässt sich an beim Abkühlen keine Kristallisation feststellen? Grundsätzlich steigt die Löslichkeit von Salzen mit steigender Temperatur, wenn der Lösungsvorgang endotherm ist. Es löst sich dann also in einer bestimmten Menge des Lösungsmittels bei höheren Temperaturen mehr Salz, als bei niedrigen Temperaturen. Wird also eine heiß gesättigte Salz-Lösung hergestellt, ist zu erwarten, dass beim Abkühlen das Salz auskristallisiert. Beim vorsichtigen Abkühlen der Natriumacetat-Trihydrat-Lösung bleibt die Kristallisation allerdings aus. Solche Lösungen werden auch als “übersättigt” bezeichnet. Das bedeutet, dass sich mehr Salz im Wasser gelöst hat, als eigentlich möglich. Diesen Zustand kannst du über mehrere Tage so erhalten. Er wird auch als metastabil bezeichnet.

Um nun die Kristallisation auszulösen, benötigst du einen Anstoß. Das kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Zum einen durch einen mechanischen Reiz, also zum Beispiel durch Reiben mit einem Glasstab an der Wand des Becherglases oder durch einen Impfkristall, also ein kleines Körnchen Natriumacetat, das du dann in die Lösung gibst. Dadurch setzt schlagartig die Kristallisation der Lösung ein und es entsteht Wärme. Das Lösen des Salzes ist also ein endothermer Prozess, bei dem Wärme benötigt wird. Die Wärmeenergie wird dabei in Form von chemischer Energie gespeichert. Das Kristallisieren verläuft dann exotherm, es wird also wieder Wärme frei. Im Taschenwärmer laufen die gleichen Prozesse ab, wie in dem eben gezeigten Versuch. Du erwärmst das wasserhaltige Salz in deinem Taschenwärmer, du fügst also Wärme zu und das Salz löst sich. Beim Abkühlen bleibt die klare Lösung erhalten, es handelt sich um ein metastabiles System. Das Knicken des Metallplättchen im inneren übt dann einen mechanischen Reiz aus, der das Kristallisieren des Salzes bewirkt. Dieser Prozess setzt dann die gespeicherte Energie frei und der Taschenwärmer wird warm.

Solche Latenwärmespeicher finden nicht nur Anwendung als Taschenwärmer. Sie werden oft in der Gastronomie verwendet, um Speisen warm zu halten, oder beim Transport von Speisen. Aber auch als wärmespeichernde Baustoffe oder für den Transport temperaturempfindlicher Medizin werden Latentwärmespeicher verwendet. Du hast heute gelernt, was ein Latentwärmespeicher ist und wozu er verwendet werden kann. Du weißt nun, dass ein Taschenwärmer Natriumacetat-Trihydrat enthält und nach dem Erwärmen die Energie speichern kann. Du weißt nun, dass das Plättchen im Inneren wichtig ist, um die Kristallisation und damit die Freisetzung der Wärme auszulösen. Systeme, die erst einen Anstoß zum Kristallisieren benötigen, werden auch als metastabil bezeichnet. Die Prozesse im Latentwärmespeicher sind reversibel, so dass er immer wieder verwendet werden kann. Tschüß und bis bald.

Latentwärmespeicher Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Latentwärmespeicher kannst du es wiederholen und üben.

  • Benenne die Bestandteile des Latentwärmespeichers.

    Tipps

    Das runde Oblekt im Inneren dient zur mechanischen Aktivierung.

    Lösung

    Der Taschenwärmer ist ein kleiner nützlicher Helfer in der kalten Jahreszeit. Er ist gut verpackt in dickem, schützendem Kunststoff und klein genug, um in die Tasche und die Hände zu passen.

    Du weißt jetzt auch, was darin ist. Die Salz-Wasser-Mischung, die die Speicherung der Wärmeenergie ermöglicht, und das Metallplättchen zur Aktivierung.

  • Erkläre, worum es sich bei einer übersättigten Lösung handelt.

    Tipps

    Auf dem Bild siehst du eine gesättigte Lösung. Es ist außerdem bereits ein Bodensatz zu erkennen.

    Die Löslichkeit von Salzen nimmt mit steigender Temperatur zu (endothermer Lösevorgang).

    Lösung

    Für das Wärmepack wird eine übersättigte Lösung hergestellt. Die Konzentration des Salzes ist also weit über der Sättigungskonzentration. Daher reicht ein kleiner mechanischer Impuls aus, um die Kristallisation auszulösen.

    Dies wird bei Latentwärmespeichern genutzt, um Energie zu speichern und zu einem gewünschten, späteren Zeitpunkt wieder freizusetzen. Es fungiert also, ähnlich wie eine Batterie, als Energiespeicher.

  • Gib die Anwendungsmöglichkeiten von Latentwärmespeichern an.

    Tipps

    Manchmal müssen Waren während des Transports warm gehalten werden.

    Moderne Baustoffe dämmen nicht nur gut, sie können sogar Wärme speichern.

    Lösung

    Aufgrund der variablen Form der Latentwärmespeicher können sie gut für den Transport von temperaturempfindlichen Waren benutzt werden. Gerade im Winter ist es wichtig, dass solche Waren wie Medikamente oder elektronische Geräte keinen Schaden durch zu niedrige Temperaturen erleiden.

    Im Feuerwerk findest du zwar auch Salze, aber sie sind hier nicht in Lösung. Man macht sich die verschiedenen Farben der Kationen zunutze. So leuchtet Barium beim Erhitzen grün auf.

  • Berechne die Konzentration an Natrium-Ionen in einer gesättigten Natriumacetat-Lösung.

    Tipps

    Nartriumacetat dissoziiert in Natrium-Ionen und Acetat-Ionen:

    $Na(CH_3COO)\longrightarrow~Na^+(aq)~+~CH_3COO^-(aq)$.

    Wird dieses Salz gelöst, liegen Natrium- und Acetat-Ionen in gleicher Konzentration vor. Daher kann man die Konzentration der Acetat-Ionen durch die Konzentration der Natrium-Ionen in der Gleichung ersetzen.

    Lösung

    Das Löslichkeitprodukt ist die Gleichgewichtskonstante einer Dissoziationsgleichung. Es kann, im Vergleich zum Massenwirkungsgesetz, vereinfacht werden, da der sich bildende Bodensatz als konstant angenommen werden kann. Somit kann dieser aus der Gleichung entfernt werden.

    $K_L(Na(CH_3COO))=c(Na^+)~\cdot~c(CH_3COO^-)$

    Durch die Vereinfachung bleibt dann erhalten:

    $K_L(Na(CH_3COO))=~c^2(Na^+)$.

    So kann die Konzentration der einzelnen Ionen durch das Ziehen der Quadratwurzel aus dem Löslichkeitsprodukt ermittelt werden. Diese Berechnung kann dir helfen, wenn du wissen möchtest, wie hoch konzentriert du eine Salzlösung überhaupt herstellen kannst.

  • Beschreibe das Vorgehen zum Gebrauch eines Handwärmers.

    Tipps

    Ist der Inhalt des Wärmekissens nach Gebrauch fest oder flüssig?

    Wie aktiviert man es?

    Lösung

    Nach dem Gebrauch ist die Mischung im Wärmepack hart und kalt. Es hat also seine Energie bereits abgegeben. Da der Prozess aber reversibel ist, können wir wieder Energie hineinbringen.

    Das machst du, indem du es in heißes Wasser legst. Dabei löst sich das Salz wieder, es schmilzt nicht. Beim Abkühlen des Wärmepacks bleibt der Inhalt flüssig.

    Hast du dann später draußen kalte Hände, kannst du es herausnehmen, knicken und somit die Kristallisation auslösen. Die Wärmeenergie des heißen Wassers kannst du so direkt zum Aufwärmen nutzen.

  • Ermittle das Lösungsverhalten von Salzen unter den gegebenen Bedingungen.

    Tipps

    Um das Gitter zu zerstören, wird Energie benötigt.

    Durch die Hydratation der aus dem Gitter gelösten Ionen wird Energie frei.

    Lösung

    Salze liegen in Ionengittern vor. In diesen wirken coulombsche Anziehungskräfte zwischen den Kationen und den Anionen des Salzes. Diese Kräfte sind sehr groß. Aus diesem Grund ist die Gitterenergie, also die Energie die aufgebracht werden muss, um die Ionen aus dem Gitter zu lösen, bei den meisten Salzen sehr hoch.

    Bei der Hydratation, also dem Aufbau einer Hydrathülle um die Ionen, wird Energie frei. Der Grund dafür ist, dass die Ionen so abgeschirmt sind. Daher stellt dies einen energieärmeren und damit stabileren Zustand dar. Das Verhältnis der Gitter- und Hydratationsenergie zueinander gibt nun an, ob das Salz eine exotherme (Wärmeentwicklung) oder endotherme (Abkühlung) Reaktion beim Lösen zeigt.

    • Gitterenthalpie < Hydratationsenthalpie : Salz löst sich unter Wärmeentwicklung (exotherm)
    • Gitterenthalpie = Hydratationsenthalpie : Salz löst sich
    • Gitterenthalpie > Hydratationsenthalpie : Salz löst sich unter Abkühlung (endotherm)
    • Gitterenthalpie>>Hydratationsenthalpie : Salz löst sich nicht