Entsteht durch Unterdruck Kälte?
Liebe Physiker,
in einem Schulprojekt geht es darum, ein Konstrukt zu erbauen, in welches ein 5x5cm großer Eiswürfel für gelegt wird. Nach diesen 60 Minuten sollte möglichst viel vom Eiswürfel übrig sein, d.h. noch nicht geschmolzen sein.
Mir kam der Gedanke, dass sich Luft, die komprimiert wird, erwärmt. Heißt das, dass Unterdruck bzw. wenn möglich Vakuum in einem Behälter, dazu führt, dass der Inhalt abkühlt wird?
Falls ja würde ich einen Behälter mit Ventil bauen, indem wir den Eiswürfel legen und anschließend Unterdruck aufbauen.
Ich freue mich auf Eure Antworten!
Alles Beste
Simon Benedikt Fischer
4 Antworten
Richtig ist, dass an einem zuvor komprimierten Gas bei der Entspannung Volumenarbeit verrichtet werden muss. Die Energie hierfür wird aus dem Wärmegehalt der Umgebung bezogen, die dadurch abkühlt. Aber mit Deiner Box wird das nichts werden, da ein einmaliger Entspannungsprozess nur wenig Energie umsetzt. Die beste Lösung wird sein, den Würfel möglichst gut gegen die Umgebung zu isolieren und damit einen Wärmefluss zu reduzieren. Eine gute Möglichkeit ist die Nutzung eines Dewar-Gefäßes.
Lieber Picus48,
Danke! Ich hab mir fast gedacht, dass das alleinige Entziehen des Gases wenig Wärme entziehen wird. Eine Regel des Versuchs ist es, keine Gefäße zu verwenden, die speziell für Kühlung bzw. Warmhaltung konzipiert wurden, aber das konntest du ja gar nicht wissen.
Danke für deine Antwort!
Alles Beste
Simon Benedikt
Die Abkühlung entsteht, wenn zB eine Flüssigkeit im Vakuum verdampft, weil die Verdampfungswärme aus der Umgebung aufgenommen wird.
Auch bei realen Gasen kann es durch eine Expansion ins Vakuum zu einer Abkühlung kommen. Dass kann sich aber je nach Stoff mit der Temperatur ändern.
https://de.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson-Effekt
Das einfachste wäre, einen dicht verschließbaren Würfel aus Styroporplatten zu bauen. Gibt es in 50×100 cm im Baumarkt in verschiedenen Dicken. Dazu StyroporKleber, weil normale Lösemittel Styropor auflösen...
Eine Verbesserung wäre, den StyroporWürfel luftdicht zu verpacken, die Hülle mit einem Ventil zu versehen und tatsächlich die Luft herauszupumpen. Allerdings würde das die Bastelfähigkeiten von Normalos und Schülern übersteigen. Ich könnte das nicht.
naja,
1. Wasser im Vakuum zu verdampfen ist nicht so leicht...und tut den meisten Pumpen gar nicht gut.
2. Deshalb nimmt man in der Kältetechnik andere Flüssgkeiten zum Verdampfen.
3. Natl. hält die StyroporBox kein Vakuum, das hatte ich auch nicht gemeint. Man müsste eben ein stabiles Gefäß mit einem großen, aber dichten Deckel nehmen, aus Metall oder dickem Glas. Im Labor würde man einfach einen Exsikkator nehmen.
4. Wäre ich der Lehrer, würde ich keine weiteren Hilfen erlauben. Also keine extra Kühlung, oder permanente Pumpe. Da könnte man einfach zusätzlich Trockeis in die Box tun und gut! Beim Verschließen kurz abzupumpen ist das eine. Permanent zu pumpen, etwas anderes!
5. Auch hast Du wohl kaum die Möglichkeiten eine Luft-dichte und Vakuum-feste Box wirklich selbst zu bauen, noch eine eigene VakuumPumpe.
Lieber Spikeman217,
während der 60min ist weder Eingreifen noch Stromzufuhr erlaubt. Mittlerweile bin ich nicht mehr so wirklich von dem Wasserverdampfen überzeugt, du hast recht, da könnte man gleich am Anfang Kühlen. Als Vakuumbehälter würde ich grundsätzlich versuchen, selbst einen zu bauen, sollte das nicht hinhauen bekommen wir von unserem Lehrer aber sicherlich die Vakuumpumpe + das Gefäß der Schule zur Verfügung gestellt. Und du hast recht: falls wir Wasser nehmen würden: die arme Pumpe ;).
Was hältst du von der Idee von diderot2019? Nach Meinem Thermodynamik Wissen dürfte das so funktionieren, was meinst du?
Alles Beste
Simon Benedikt Fischer
Es ist das, was ich auch gesagt habe. StyroporBox, die man durch ein Vakuum verbessern könnte.
Lieber Spikeman197,
Danke! Mit verbessern meintest du also nicht einmalige Abkühlung am Anfang, sondern dem Eis die Fähigkeit nehmen, Wärme abzugeben!
Ich denke, so in der Richtung werden wir es machen!
Alles Beste
Simon Benedikt
Nein, damit meine ich, die ohnehin schon geringe Wärmeleitung der Luft zu eleminieren und durch ein möglichst gutes Vakuum die Isolierung zu verbessern.
Wärme ist Bewegung von Teilchen. Kalte Teilchen bewegen sich langsamer. Materie kühlt sich ab, wenn die Atome ihre Bewegungsenergie anderen Atomen und Molekülen abgeben. Wenn du einen Eisklotz in Unterdruck stellst, sind da gar nicht viele Gasmoleküle, an die Wärme abgegeben werden kann. Der Eisklotz wird also sehr lange Eis bleiben. Ich glaube nicht, dass die Verdunstung hier eine sehr grosse Rolle spielt.
Allerdings berührt der Eisklotz den Boden und wärmt sich hier auf. Dabei kommt es auch auf den Druck an. Wenn du den Klotz nur an einer dünnen Schnur aufhängst, erwärmt sich der Eisklotz durch den Druck genau an dieser Schnur und schmilzt da durch. Sinnvoller wäre daher wohl, den Klotz auf Styropor zu legen. Styropor leitet schlecht, weil da viele Luftbläschen eingeschlossen sind, so dass die Dichte auch klein ist.
Lieber diderot2019,
Danke! Deine Idee hört sich, so wie alle anderen auch, wirklich sehr gut an, ich glaube, wir werden das Ganze so wie du geschrieben hast ohne Wasser ausprobieren!
Danke für deine Antwort!
Alles Beste
Simon Benedikt Fischer
Die einfachste Lösung wäre ein Minikühlschrank aus Styroporplatten und einem Peltier Element +Lüfter. So wäre nach einer Stunde noch der Komplette Eisblock vorhanden
Lieber Kaen 011,
Danke für deinen Einfall! Eine der Regeln lautet allerdings, dem ganzen nicht aktiv Strom zuzuführen, das konntest du allerdings nicht wissen.
Dennoch danke für deine Antwort!
Alles Beste
Simon Benedikt
Oh das macht das ganze natürlich etwas schwieriger, ist denn Kühlung erlaubt?
Wenn ja gesättigte Kochsalzlösung friert bei etwa -21°C. Das würde genauso gut funktionieren
Lieber Spikeman197,
Danke! Ich habe auch schon daran gedacht, ein Gefäß mit Wasser in die Kammer zu stellen, welches dann, wenn wir den Druck in unserer Konstruktion weit genug senken können, verdampft. Dies würde den Innenraum des Behälters kühlen, zumindest so lange, wie das Wasser verdampft.
Die Styroporlösung wird sicherlich von einigen praktiziert werden, wobei ich glaube, dass man, sollte man Unterdruck im Behälter erzeugen, eine Stützkonstruktion um das Styropor brauchen würde, kommt drauf an, wie dick es ist.
Danke für deine Antwort!
Alles Beste
Simon Benedikt