Material
Wir möchten ein selbsterhitzendes und selbsterkaltendes Getränk entwickeln. Das integrierte System soll 50 mL Wasser im Mantel erwärmen oder erkalten, um das Getränk auf die gewünschte Trinktemperatur zu bringen.
Aufgaben
- Machen Sie einen Vorschlag, welche Zieltemperatur das Wasser in einem selbsterhitzenden und selbsterkaltenden Getränk erreichen sollte. Gehen Sie davon aus, dass das jeweilige Getränk bei einer Raumtemperatur von 25 °C genutzt werden soll.
- Berechnen Sie die notwendige Wärmemenge Q, die an das Wasser abgegeben werden muss, um die gewünschte Zieltemperatur zu erreichen.
- Schlagen auf Basis ihrer Erkenntisse aus den vorherigem Material ein Salz für die Konzeption eines selbsterhitzenden und selbsterkaltenden Getränks vor. Berechnen Sie die Masse an Salz, die der Hersteller pro Becher abfüllen muss, um diese Erwärmung theoretisch zu garantieren.
- Diskutieren Sie, warum in der Realität Hersteller solcher Getränke immer etwas mehr Salz verpacken.
Lösungen
Das Wasser sollte sehr heiß werden, aber nicht zu heiß, dass es verdampft, den Becher unter Druck setzt und diesen ggf. zum platzen bringt. Eine Zieltemperatur von unter 100 °C macht hier Sinn, vielleicht 90 °C. Ausgehend von der angegebenen Raumtemperatur macht das eine Temperaturdifferenz von ΔT = 65 °C = 65 K.
Das Wasser sollte sehr kalt werden, Eine Zieltemperatur von ca. 0 °C macht hier Sinn. Ausgehend von der angegebenen Raumtemperatur macht das eine Temperaturdifferenz von ΔT = 25 °C = 25 K.
Dem Wasser müssen ca. 13,6 kJ Energie in Form von Wärme zugeführt werden.
Dem Wasser müssen ca. 5,2 kJ Energie in Form von Wärme entzogen werden.
Auf der Basis der Erkenntnisse aus den vorherigem Material wäre Calciumchlorid (CaCl2) ein geeignetes Salz für ein selbsterhitzendes Getränk, da beim Lösen des Salzes der höchste Betrag an Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird, im Vergleich zu den anderen getesteten/untersuchten Salzen.
Auf der Basis der Erkenntnisse aus den vorherigem Material wäre Kaliumnitrat (KNO3) ein geeignetes Salz für ein selbsterkaltendes Getränk, da beim Lösen des Salzes der höchste Betrag an Energie in Form von Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird, im Vergleich zu den anderen getesteten/untersuchten Salzen.
Selbsterhitzendes Getränk
- Die kalorimetrische Berechnung geht von einem idealen, isolierten System aus. Es wird angenommen, dass die freigesetzte Lösungsenthalpie verlustfrei an das zu erwärmende Getränk übertragen wird.
- Solche Getränke sind zwar geschlossen, aber nicht isoliert. Ein erheblicher Teil der thermischen Energie geht an die Umgebung verloren.
- Um die Wärmeverluste zu kompensieren und die versprochene Zieltemperatur des Getränkes dennoch zu erreichen, muss das System durch mehr Salz mehr Energie bereitstellen.
Das Löslichkeitsdilemma
Möchte man ein effizientes selbsterkaltendes Getränk konstruieren, liegt der Gedanke nahe, die Zieltemperatur auf den Gefrierpunkt von Wasser (0 °C) festzulegen.
In der Praxis stößt dieses Vorhaben bei endothermen Lösevorgängen an eine Grenze: Das Löslichkeitsgleichgewicht.
Löslichkeitsprodukte Kaliumnitrat
Weitergedacht
- Berechnen Sie die maximale Masse an Kaliumnitrat, die sich bei der geplanten Zieltemperatur von 0°C in 50 mL Wasser lösen lässt.
- Vergleichen Sie diesen Wert mit der theoretisch benötigten Masse aus Aufgabe 3 und ziehen Sie ein begründetes Fazit für die Nachbarkeit des Getränks.