KÄLTETECHNIKEN
Einführung: Wie kann man
Kälte erzeugen?
1. Kälte -
Wärme - Temperatur
Wärme ist eine Energieform, die jeder Stoff und
Körper mehr
oder weniger enthält. Berühren wir einen
Körper,
fühlen wir, ob er heiß, warm, lau, kühl
oder kalt ist.
Damit bezeichnen wir seinen Wärmezustand, den man als
Temperatur
bezeichnet. Unser Gefühl ist ein unsicherer
Wärmemesser!
Gehen wir im Winter aus einem geheizten Raum in einen
ungeheizten, so empfinden wir diesen als kalt. Kommen wir aus
großer Kälte im Freien in dasselbe Zimmer, so
erscheint es
uns als warm. In Wirklichkeit hat aber das Zimmer die gleiche
Temperatur!
2. Messung der
Temperatur
Zur Temperaturmessung werden deshalb Thermometer verwendet.
Für
die zahlenmäßige Festlegung kommen jedoch
unterschiedliche
Temperaturskalen zum Einsatz.
Die gebräuchlichste ist die Einteilung in Grad Celsius
(°C).
Der schwedische Astronom Celsius legte hierzu als Bezugspunkte den
Schmelzpunkt des Eises (0 °C) und den Siedepunkt des Wasser
(100
°C) bei normalem atmosphärischen Luftdruck (1013 hPa)
fest.
Diese Temperaturskala wird nach oben und unten entsprechend
fortgeführt. Temperaturen, die größer
(wärmer)
sind als 0 °C werden plus, diejenigen, die kleiner
(kälter)
sind als minus bezeichnet.
In den USA werden die Temperaturen nach Fahrenheit gemessen. Der
deutsche Physiker Fahrenheit legte den Nullpunkt seiner Skala auf die
tiefste Temperatur des amerikanischen Winters im Jahre 1709 (-17,8
°C). Den Schmelzpunkt des Eises legte er auf 32 F und
den
Siedepunkt des Wassers auf 212 F. Beim Gefrieren von Lebensmitteln hat
man der Einfachheit halber die Gefriertemperatur auf 0 F gelegt. Da die
Gefriertechnik aus den USA kommt, wurde diese Lagertemperatur einfach
übernommen. Nur so sind die -18 °C als angeblich
erforderliche
Lagertemperatur für die Gefriertechnik entstanden.
Selbstverständlich lassen sich Lebensmittel aber auch
Tiefgefrieren bei z.B. -15 °C.
3. Verfahren der
Kälteerzeugung
Kühlen heißt Wärme entziehen. Es wird aber
nicht
Kälte erzeugt, sondern Wärme entzogen. Das Ergebnis
ist dann
eine tiefere Temperatur. Wenn man einen Raum kühlen will, so
muss
die Wärme von dort, wo sie unerwünscht ist dorthin
gebracht
werden, wo sie nicht schadet oder störend ist.
Aufgrund von
chemischen und physikalischen Gesetzen, kann Kälte "erzeugt"
bzw.
Wärme entzogen werden.
(Quelle: Mit freundlicher Genehmigung des Autors aus: Service-Handbuch
Grundlagen-Kältetechnik -Physikalische Grundlagen, Bauteile,
Funktion Reparaturtechniken)
4. Wir stellen auf 2
verschiedene Arten Kälte her:
A. Kältemischung (Anwendung:
Lösungswärme - Salzstreuen im Winter)
Eine praktische Anwendung einer Kältemischung ist
das Salzstreuen im Winter.
Durch das Streusalz wird das Eis bzw. der Schnee mit Salz
gemischt. Der Schmelzpunkt dieses Gemisches liegt - je nach
Konzentration - wesentlich tiefer als 0 °C. Die Eis-Salz bzw.
Schnee-Salz-Mischungen lösen sich zu Salzwasser.
Bei vielen Mischungen (z.B. Salzwasserlösung) gibt es eine
bestimmte Konzentration, die man als Eutektikum bezeichnet. Bei einer
eutektischen Mischung wird ein extrem kalter Schmelzpunkt erreicht, der
weit unter dem der Einzelkomponenten liegt. Weil man mit diesen
chemischen Lösungen der Umgebung Wärme entziehen
kann, werden
sie als Kältemischungen bezeichnet.
Beispiel: Ein Mischungsverhältnis von 1 Teil Kochsalz und 3
Teilen
Eis bewirkt, dass sich Salz in Eis zu Salzwasser löst und eine
Temperaturabsenkung der Kältemischung auf -21 °C
eintritt.
♣Projektaufgabe: Wieviel Kälte könnt ihr
herstellen?
Wir stellen verschiedene Kältemischungen her und messen die
Temperatur.
Nehmt dabei einen der angegebenen Stoffe und stellt
mindestens 3 verschiedene Mischungen mit Eis her:
Vorgeschlagene Menge an Eis: jeweils ca. 30 bis 50 Gramm
Stoffe, die du wählen kannst und vorgeschlagene Versuchsmengen:
Natriumchlorid(Kochsalz) NaCl
|
5g
– 20 g
|
Calciumchlorid
CaCl2
|
15g
– 75g
|
Kaliumchlorid:
KCl
|
50g
-120g
|
,Macht
eine Grafik von eurem Versuch:
Temperatur
(y-Achse) in Abhängigkeit von
der Stoffmenge (x-Achse) her und bestimmt den eutektischen Punkt, also
den
tiefsten Schmelzpunkt bzw. Gefrierpunkt
B.
Thermoelektrische Kälteerzeugung mit
Peltier-Elementen
(Anwendung in mobilen, batteriebetriebenen Kühlboxen)
Thomas Johann Seebeck (1770-1831) Entdeckung der
Thermoelektrizität (1821)
Seebeck-Effekt
Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) Entdeckung der
Umkehrung der Thermoelektrizität (1834) Peltier-Effekt
Der
Seebeck-Effekt:
Werden zwei verschieden leitfähige Materialien miteinander
verbunden und besteht zwischen diesen Verbindungsstellen eine
Temperaturdifferenz, kann ein elektrischer Strom
fließen.
Erklärung: An der warmen Seite befinden sich mehr Elektronen
mit
hoher Energie und wenige mit niedriger Energie. Durch Diffusion (wie
bei Gasen) bewegen sich Elektronen mit hoher Energie zur kalten Stelle.
Somit ist es eine Wärmeleitung mit Elektronenfluss. Dadurch
kommt
es zu einer Ladungstrennung viele Elektronen auf kalter Seite; wenig
Elektronen auf warmer Seite. Dies erzeugt eine Spannung; die sogenannte
Thermospannung. Um diese Spannung messen zu können, braucht
man
zwei Metalle. Die Spannung hängt von der Temperaturdifferenz
und
der Hemmung des Elektronenflusses ab.
Peltier-Effekt:
Beim Peltier-Effekt herrschen umgekehrte Verhältnisse:
Fließt ein elektrischer Strom an einem Kontakt von einem
Material
A in einem Material B, entsteht eine Wärmequelle. Je nach
Vorzeichen des Stromes kann eine Seite warm und die andere kalt
werden.
Erklärung: Bewegte Elektronen transportieren nicht nur Ladung,
sondern auch Energie. Höherenergetische Elektronen tragen
stärker zum Strom bei, transportieren aber auch mehr Energie.
Beim
Übergang von einem zum anderen Material ändert sich
die mit
den Elektronen transportierte Energie. Die Energie wird entweder
abgegeben oder aufgenommen Elemente,
die diesen Effekt haben, nennt man Peltier-Element oder
thermoelektrische Elemente.
♣ Projektaufgabe:
1. Einfache Experimente mit dem
Peltier-Element:
A. Material: Peltier-Element (12V), 2 Kabel mit Krokodilklemmen, eine
9V-Batterie, LabQuest mit Temperaturfühler
Durchführung:
a.) Klebe mit einem Klebestreifen den Temperaturfühler auf
einer Seite fest.
b.)Verbinde mit Hilfe Krokodilklemmen das rote Kabel des
Peltier-Elements mit dem Plus-Pol und das schwarze Kabel mit dem
Minus-Pol
c.) Miss die Temperatur mit dem LabQuest. Warte dabei einige Zeit bis
sich die Temperatur nicht mehr ändert. Achte dabei darauf,
dass du
die zu messende Seite auf den Tisch legst.
d.) Mache das gleiche mit der anderen Seite des Peltier-Elements.
Bei einem Peltier-Element wird meist die warme Seite stärker
erwärmt als die kühle Seite abgekühlt. Wenn
man eine
kältere Temperatur möchte, muss man die warme Seite
abkühlen.
B. Material: Material: Peltier-Element (12V), 4 Kabel mit
Krokodilklemmen, zwei 9V-Batterie, LabQuest mit
Temperaturfühler,
Lüfter, wärmeleitende Paste
Durchführung:
a.) Klebe mit einem Klebestreifen den Temperaturfühler auf der
kühlenden Seite fest
. b.)Verbinde mit Hilfe Krokodilklemmen das rote Kabel des
Peltier-Elements mit dem Plus-Pol und das schwarze Kabel mit dem
Minus-Pol. Mache das gleiche beim Kühler mit der anderen
Batterie.
c.) Lege das Peltier-Element mit der kalten Seite nach unten und gib
auf die andere Seite etwas von der wärmeleitenden Paste.
Stelle
nun den Lüfter auf diese Seite.
d.) Miss die Temperatur mit dem LabQuest. Warte dabei einige Zeit bis
sich die Temperatur nicht mehr ändert.
C. Material: Peltier-Element, zwei Kabel
mit
Krokodilklemmen, Spannungsquelle, LabQuest mit Temperaturfühler
Durchführung:
a.) Klebe mit einem Tesastreifen den Temperaturfühler auf
einer Seite fest.
b.)Verbinde mit Hilfe Krokodilklemmen das rote Kabel des
Peltier-Elements mit dem Plus-Pol und das schwarze Kabel mit dem
Minus-Pol. Achtung: Benutze niemals eine größere
Spannung
als am Element angegeben ist!!!
c.) Miss die Temperatur mit dem LabQuest. Warte dabei einige Zeit bis
sich die Temperatur nicht mehr ändert. Achte dabei darauf,
dass du
die zu messende Seite auf den Tisch legst.
d.) Mache das gleiche mit der anderen Seite des Peltier-Elements.
Falls noch Zeit bleibt: Messen des Seebeck-Effekts
2. Wir bauen
eine Kühlbox zum Kühlen einer kleinen
Getränkedose:
Material: Peltier-Elemente, Styropor, Kühlelemente,
Temperaturfühler
Filmanleitung:
https://www.youtube.com/watch?v=I-cdhGbGjKE
Macht zuerst eine Skizze mit genauem Maßstab
Anschließend wird die Box zusammengebaut und eine
Getränkedose hineingestellt.
Die Temperatur wird über eine halbe Stunde lang gemessen und
grafisch festgehalten.
Beispiele für Schülerskizzen:
Sägen von Styropor: