{"id":7602,"date":"2016-09-10T21:04:14","date_gmt":"2016-09-10T19:04:14","guid":{"rendered":"http:\/\/web2.realschule-hoechstadt.de\/?page_id=7602"},"modified":"2016-09-10T21:04:14","modified_gmt":"2016-09-10T19:04:14","slug":"drei-tage-am-esfz","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/physik.realschule-hoechstadt.de\/?page_id=7602","title":{"rendered":"Drei Tage am ESFZ"},"content":{"rendered":"

„Forschen und T\u00fcfteln“<\/span>, das Motto des ESFZ<\/span>, durften Anfang September auch mal wieder Lehrer am …<\/p>\n

>> Erlanger Sch\u00fclerforschungszentrum (ESFZ)<\/a><\/h3>\n

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Das ESFZ<\/span> bietet normalerweise viermal im Jahr Sch\u00fclern im Alter von etwa 14 bis 18 Jahren<\/span> die Gelegenheit, intensiv eigenen Forschungen nachzugehen, um z.B. damit an „Jugend forscht“<\/span> oder dem GYPT<\/span> (Germany Young Physicists Tournament) teilzunehmen – oder einfach mal eben zu „forschen und t\u00fcfteln“ mit professioneller Unterst\u00fctzung durch engagierte Physikstudenten und eine Vielzahl von Messger\u00e4ten<\/span>, die es in dieser Ausstattung an Schulen (oder gar bei dir zuhause) wohl nicht gibt.<\/p>\n

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Einmal im Jahr steht das ESFZ auch Lehrern offen. Nachdem ich bereits 2015 teilgenommen hatte, wollte ich in diesem Jahr wiederum Untersuchungen an Latentw\u00e4rmespeichern<\/span> machen. Das sind grob gesprochen Stoffe, die Energie in Form von W\u00e4rme dadurch speichern, dass sie ihren Aggregatszustand (fest, fl\u00fcssig, gasf\u00f6rmig) \u00e4ndern, ohne dass sich der Stoff selbst weiter erw\u00e4rmt. Da man eben allein an der Temperatur des Stoffes nicht feststellen kann, ob in ihm Energie gespeichert ist, nennt man diese Energieform „latent“, was „verborgen“ bedeutet<\/span>. Latente W\u00e4rme ist also W\u00e4rme, die in einem (kalten) K\u00f6rper gespeichert ist und erst durch einen bestimmten Vorgang freigesetzt wird. Stoffe, die als Latentw\u00e4rmespeicher Anwendung finden, bezeichnet man auch als Phasenwechselmaterialien<\/span>, Abk\u00fcrzung PCM<\/span> f\u00fcr englisch phase change material<\/span>. <\/p>\n

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Ein Latentw\u00e4rmespeicher ist z.B. der Stoff Natriumacetat<\/span> (genau genommen Natriumacetat-Trihydrat), den man in Taschenw\u00e4rmern<\/span> findet:<\/p>\n

\"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-001\" \"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-002\"<\/p>\n

Eigentlich wollte ich direkt mit Natriumacetat arbeiten, da aber keine Chemikalien zur Verf\u00fcgung standen, haben wir beschlossen, Taschenw\u00e4rmer zu kaufen, um den Stoff daraus zu entnehmen. (Natriumacetat an sich ist nicht gef\u00e4hrlich; man sollte halt den Kontakt mit Augen vermeiden. Als Salz der Essigs\u00e4ure riecht es entsprechend nach Essig.)<\/p>\n

Da sich aber im vergangenen Jahr gezeigt hat, dass das Natriumacetat nicht so einfach zu beherrschen ist, wenn man es in einem offenen Gef\u00e4\u00df hat, haben wir es in den Taschenw\u00e4rmern belassen.<\/p>\n

Unser Ziel war letztlich, das Natriumacetat in einen W\u00e4rmespeicher einzubauen<\/span>, also in eine Art Thermoskanne, bei der die Energie z.B. mit Hilfe von Wasser zu- und abgef\u00fchrt<\/span> wird. Daher stellte sich zun\u00e4chst eine andere Frage: Wie setzt man die W\u00e4rme frei?<\/span><\/p>\n

Normalerweise geschieht dies bei den Taschew\u00e4rmern, dass man, wenn das Natriumacetat fl\u00fcssig (und kalt) ist, ein kleines Metallpl\u00e4ttchen<\/span>, das sich im Inneren des Taschew\u00e4rmers befindet, mit den Fingern knickt<\/span> und damit den Kristallisationsvorgang ausl\u00f6st<\/span>, der die latent gespeicherte W\u00e4rme freisetzt. Nur leider kann man das nicht mit den Fingern, wenn sich der W\u00e4rmespeicher in einem abgeschlossenen, isolierenden Gef\u00e4\u00df befindet. Wie also l\u00f6st man dann den Kristallisationsvorgang aus?<\/p>\n

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Die Idee: Beim Knicken des Metallpl\u00e4ttchens im Taschenw\u00e4rmer wird eine Druckwelle<\/span> erzeugt, die den Kristallisationsvorgang<\/span> ausl\u00f6st.<\/p>\n

Also wurde zun\u00e4chst ein Ultraschallgenerator<\/span> herangeschafft und als erstes untersucht, wie sich damit stehende Wellen<\/span> erzeugen lassen:<\/p>\n

\"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-010\"<\/a> \"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-011\"<\/a><\/p>\n

Dass sich bei bestimmten Frequenzen (und exakter Austrichtung des Schallkopfes) tats\u00e4chlich stehende Wellen in Wasser erzeugen lassen, zeigt das Experiment von Debye-Sears, zu erkennen am Beugungsmuster, das der Laserstrahl beim Durchgang durchs Wasser an der gegen\u00fcberliegenden Wand erzeugt:<\/p>\n

\"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-012\"<\/a> \"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-013\"<\/a><\/p>\n

Also stand als N\u00e4chstes an, auch in einem Taschenw\u00e4rmer eine (stehende) Ultraschallwelle<\/span> zu erzeugen, um damit den Kristallisationsvorgang<\/span> auszul\u00f6sen:<\/p>\n

\"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-020\"<\/a> \"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-021\"<\/a><\/p>\n

Leider gelang dies nicht … \ud83d\ude41<\/p>\n

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Tiefergehende Recherchen im WWW brachten schlie\u00dflich den Hinweis, dass dies wohl tats\u00e4chlich nicht m\u00f6glich ist:<\/p>\n

>> Prof. Blumes Bildungsserver f\u00fcr Chemie \u2013 W\u00e4rmekissen: Schnelle W\u00e4rme aus Kristallen<\/a><\/h3>\n

Da diese Aussage mehrfach im WWW auftaucht, sich aber alle gefundenen Eintr\u00e4ge auf eben diese Quelle beziehen, haben wir doch noch eigene Berechnungen angestellt<\/span>:<\/p>\n

\"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-022\"<\/a> \"THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-023\"<\/a><\/p>\n

Und tats\u00e4chlich: der von unserer Schallquelle maximal zu erzeugende Druck von rund 300 kPa (Kilopascal) liegt tats\u00e4chlich weit unter dem Wert, den man aus dem Phasendiagramm f\u00fcr Natriumacetat erwartet. Dieser sollte bei Raumtemperatur etwa 1000mal gr\u00f6\u00dfer sein:<\/p>\n

>> Daniel Oriwol \u2013 Natriumacetat als Latentw\u00e4rmespeicher (PDF)<\/h3>\n

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Also blieb letztlich nur die mechanische Ausl\u00f6sung<\/span>. Hier zeigte sich jedoch, dass nach mehrmaligem Ausl\u00f6sen eines Taschenw\u00e4rmers h\u00e4ufig bereits der Druck mit dem Finger auf das Metallpl\u00e4ttchen f\u00fcr weitere Ausl\u00f6sevorg\u00e4nge reichte \u2013 was zu folgender Ausl\u00f6sevorrichtung f\u00fchrte (MP4-Video):<\/p>\n

https:\/\/physik.realschule-hoechstadt.de\/wp-content\/uploads\/2016\/09\/THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-60.mp4<\/a><\/video><\/div>\n

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Anschlie\u00dfend wurden Aufnahmen mit der W\u00e4rmebildkamera<\/span> gemacht:<\/p>\n

https:\/\/physik.realschule-hoechstadt.de\/wp-content\/uploads\/2016\/09\/THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-50.mp4<\/a><\/video><\/div>
\n(MP4-Video)<\/p>\n

Etwa in der Mitte des Films scheint das Bild kurzzeitig stehen zu bleiben<\/span>. Dies liegt jedoch an einem Artefakt der W\u00e4rmebildkamera<\/span>, die bei bestimmten Situationen kurz die Optik verschlie\u00dft; in Wirklichkeit l\u00e4uft der Kristallisationsprozess weiter. Au\u00dferdem erkennt man gegen Ende einen dunkleren Punkt auf dem W\u00e4rmekissen<\/span>; dabei handelt es sich um eine kleine Luftblase<\/span>. Da die W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit von Luft erheblich geringer ist, erw\u00e4rmt sich diese Stelle nur langsam.<\/p>\n

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Manchmal klappte die mechanische Ausl\u00f6sung auch \u00fcberhaupt nicht. Zur\u00fcck blieb eine leicht angew\u00e4rmte Tischplatte<\/span>:<\/p>\n

https:\/\/physik.realschule-hoechstadt.de\/wp-content\/uploads\/2016\/09\/THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-51.mp4<\/a><\/video><\/div>
\n(MP4-Video)<\/p>\n

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Wenn der Taschenw\u00e4rmer noch nicht auf Raumtemperatur<\/span> abgek\u00fchlt war, zeigte sich ein streifenartiges Muster<\/span> im W\u00e4rmebild:<\/p>\n

https:\/\/physik.realschule-hoechstadt.de\/wp-content\/uploads\/2016\/09\/THE-ESFZ-Latentwaermespeicher-2016-52.mp4<\/a><\/video><\/div>
\n(MP4-Video)<\/p>\n

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Abschließend noch ein paar interessante Ideen zum Thema Latentw\u00e4rmespeicher und PCM<\/span>:<\/p>\n

>> Heizung auf Rädern (National Geographic, 2014)<\/h3>\n

>> mobiler 2-MWh-Latentw\u00e4rmespeicher (LaTherm Energie AG)<\/a><\/h3>\n

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Latentw\u00e4rmespeicher<\/span> finden mittlerweile auch in Baustoffen<\/span> Verwendung, z.B. mikroverkapselte PCM<\/span> f\u00fcr Fassadenputze<\/span> oder als F\u00fcllmaterial f\u00fcr Fu\u00dfbodenheizungen<\/span>. Weiterf\u00fchrende Informationen hierzu gibt u.a. die vom Umweltbundesamt<\/span> herausgegebene Seite www.cleaner-production.de<\/span>:<\/p>\n

>> Latentwaermespeicher in Baustoffen<\/h3>\n

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Auch vom ZAE Bayern<\/span> (Bayerisches Zentrum f\u00fcr Angewandte Energieforschung e. V.) und dem FVEE<\/span> (ForschungsVerbund Erneuerbare Energien) gibt es entsprechende Publikationen:<\/p>\n

>> ZAE Bayern<\/a><\/h3>\n

>> ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE)<\/a><\/h3>\n

>> FVEE: Materialien zum Thema Energiespeicherung<\/h3>\n

>> Latentw\u00e4rmespeicherung: „Neue
\nMaterialien und Materialkonzepte“ (FVEE 2001, PDF)<\/h3>\n

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Auch in Starterbatterien von KFZ<\/span> werden PCM<\/span> verwendet, um die Batterie bei tiefen Temperaturen vorzuw\u00e4rmen<\/span> …<\/p>\n

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\/THE, September 2016<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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