TU BRAUNSCHWEIG

Wärmespeicherung / Wärmedämmung

Angebot

Es werden verschiedene Versuchsreihen zum Thema Wärmedämmung und -speicherung angeboten. Als sogenannter Latentwärmespeicher bzw. als Phasenwechselmaterial (Phase Change Material) werden Wasser und Paraffin eingesetzt. Als anwendungsnahes Beispiel wird ein mit Paraffin gefüllter, doppelwandiger „Thermobecher“ hergestellt und der Temperaturverlauf beim Abkühlen untersucht. Zur besseren Handhabbarkeit kann das Paraffin in einem weiteren Experiment mit Alginat verkapselt werden.

Geeignet u.a. Sek I (HRS, RS, IGS, Gym)

Physik, Klasse 7

(Energieerhaltungssatz, Wärmelehre, Schmelzen und Kondensieren, Wärmekapazität)

Chemie, Klasse 10

(Einfache Energieumwandlung, Innere Energie als Energieform, Atombindungen, Van der Waals-Kräfte, Zusammenhang von Kettenlänge und Schmelzpunkt bei Alkanen, Wärmehaushalt der Erde: Pufferung von Temperaturschwankungen durch die Wärmekapazität des Wassers - maritimes Klima)

Versuche

  → Vergleich des Temperaturverlaufs beim Abkühlen von Wasser
   →mit und ohne Isolierung
  → Wasser als Latentwärmespeicher
  → Der Paraffinbecher - Paraffin als Latentwärmespeicher
  → Mikroverkapselung von Paraffin mit Alginat
  → Thermobecher mit mikroverkapseltem Paraffin
  → Weiterführende Experimente: "Wärmekissen" als Latentwärmespeicher

Hintergrund

Im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projektes „Nachhaltige Chemie im Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor – Neue pädagogische Angebote zu Stoffkreisläufen und Ressourcenschonung“ haben wir in enger Zusammenarbeit mit der RS Maschstraße u.a. Experimente zum Thema „Wärmespeicherung und Wärmedämmung“ entwickelt.

Stoffe leiten Wärme und dies unterschiedlich gut. Wenn man kein Vakuum herstellen kann, wie es in Thermoskannen oder Dewar-Gefäßen üblich ist, kann ein schlechter Wärmeleiter als Isoliermaterial verwendet werden.
Ein typischer Stoff ist Polystyrol (Styropor®).  Hier lassen sich Experimente zu den stofflichen Eigenschaften des weit verbreiteten Styropors anschließen  (s. unsere Experimente zu Makromolekülen). Ein wesentlicher Aspekt einer effizienten Nutzung von Energie besteht darin, unerwünschte Erwärmung bzw. Abkühlung, z.B. in Räumen oder von Heiβgetränken, zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen. Neben der einfachen „Isolierung“ bieten Phasenwechselmaterialien (phase change materials, PCM) die Möglichkeit, Energie zu speichern. Die Änderung der Aggregatzustände steht am Anfang des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Dass die Temperatur während des Phasenübergangs konstant bleibt, ist experimentell leicht zu beobachten.

Die SchülerInnen lernen zwei unterschiedliche PCMs kennen, die hinsichtlich ihrer Schmelztemperaturen für unterschiedliche Arbeitsbereiche der Latentwärmespeicherung geeignet sind. Wasser ist allgegenwärtig und seine besondere Eignung zur Dämpfung von Temperaturschwankungen hat elementare Bedeutung für das Klima. Die Paraffine stellen die einfachsten Kohlenwasserstoffe dar. An Wasser kann man die H-Brücken, am Paraffin die hydrophoben Wechselwirkungen sowie den Zusammenhang von Kohlenstoffzahl und Schmelzpunkt thematisieren.
Beim Bau eines „Thermobechers“ lernen die SchülerInnen das Verfahren der Mikro­verkapselung und damit eine für viele praktische Anwendungen wichtige und faszinierende Technik kennen.
Aufgrund der Knappheit fossiler Energieträger sowie hoher Schadstoffemissionen, haben die PCMs als Latentwärmespeicher in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Ihre Fähigkeit, die für das Schmelzen zugeführte Wärmeenergie zu speichern und diese beim Erstarren wieder abzugeben, ermöglicht z.B. im Baubereich eine effizientere Energienutzung und somit Senkung des CO2-Ausstoßes.
Zum Thema passt auch die Untersuchung von „Wärmekissen“ auf Natriumacetatbasis, deren Effekt auf der Bildung einer unterkühlten Schmelze beruht.

Erfahrungen

Die Versuche zum Thema Nachhaltigkeit wurden zwischen 2010 und 2012 in enger Zusammenarbeit mit den FachlehrerInnen der RS Maschstraße entwickelt und erprobt. Die Erfahrungen fließen zurück in unsere Arbeit. Der Besuch des Agnes-Pockels-Labors zu diesen Themen ist fester Bestandteil des Lehrplans der RS Maschstraße.


  last changed 07.06.2019
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