Wärmedämmung/Wärmespeicherung

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1 Experimente zum Thema Wärmedämmung/Wärmespeicherung Projekttitel: Nachhaltige Chemie im Agnes-Pockels-SchülerInnen- Labor Neue pädagogische Angebote zu Stoffkreisläufen und Ressourcenschonung Aktenzeichen: Laufzeit: Projektleitung: Wiss. Mitarbeiterin: Prof. Dr. Petra Mischnick Dr. Beate Faustmann Institution: Technische Universität Braunschweig Institut für Lebensmittelchemie Partnerschule: Realschule Maschstraße, Braunschweig Erika Hirsch, Birgit Meinert, Petra Schille Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 1 von 20

2 Inhalt Versuch 1 Wasser als Latentwärmespeicher 3 Versuch 2 Der Paraffinbecher Paraffin als Latentwärmespeicher 6 Versuch 3 Mikroverkapselung von Paraffin mit Alginat 11 Versuch 4 Thermobecher mit mikroverkapseltem Paraffin 13 Lösungen Lösungen zum Ansetzen 17 Materialliste Materialliste für 30 SchülerInnen / 15 Zweiergruppen 18 Laborplan Laboreinteilung für die Versuche zur Wärmespeicherung 20 Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 2 von 20

3 Name: Datum: Versuch 1: Wasser als Latentwärmespeicher Materialien: 250 ml Becherglas (eng), Löffel, Kristallisierschale (500 ml) als Wasserbad, Siedesteinchen, Stativ, 2 Halterungen, 2 Thermometer, Heizplatte, Stoppuhr Chemikalien: heißes Wasser, Eis aus der Eismaschine oder zerstoßene Eiwürfel aus dem Gefrierfach Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Die Heizplatten werden sehr heiß. Verbrennungsgefahr! Durchführung: 1. Stelle eine mit Wasser halbvoll gefüllte Kristallisierschale mit Siedesteinchen auf die Heizplatte und stelle die Heizplatte auf ca. 200 o C ein. Erhitze das Wasser bis zum Sieden. 2. Gib in ein 250 ml Becherglas (eng) zwei Siedesteinchen und fülle es randvoll mit Eis. 3. Hänge das Thermometer (befestigt am Stativ) in das Becherglas mit Eis ein. 4. Das zweite Thermometer wird in das heiße Wasserbad gehängt und dient zur Temperaturkontrolle. 5. Stelle nun das Becherglas mit Eis in das heiße Wasserbad und notiere in der vorgegebenen Tabelle für 20 min alle 30 sec die Temperatur. Beobachte dabei, was mit dem Eis passiert. 6. Dein/e Partner/in kann in der Zwischenzeit die Werte in das Diagramm eintragen. Was beobachtest du? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 3 von 20

4 0,0 5,5 11,0 16,5 0,5 6,0 11,5 17,0 1,0 6,5 12,0 17,5 1,5 7,0 12,5 18,0 2,0 7,5 13,0 18,5 2,5 8,0 13,5 19,0 3,0 8,5 14,0 19,5 3,5 9,0 14,5 20,0 4,0 9,5 15,0 4,5 10,0 15,5 5,0 10,5 16,0 Diagramm: Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 4 von 20

5 Welchen Verlauf zeigt das Temperatur--Diagramm? Erkennst Du eine Besonderheit im Kurvenverlauf? Wenn ja, an welcher Stelle tritt diese Besonderheit auf (was passiert hier mit dem Eis)? Wasser ist ein Latentwärmespeicher (latent = verborgen). Im Gegensatz dazu gibt es die sensiblen (= fühlbar) Wärmespeicher, bei denen die Energiezufuhr mit einer Temperaturerhöhung einhergeht. Kannst du eine Definition bzw. Beschreibung für Latentwärmespeicher geben? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 5 von 20

6 Name: Datum: Versuch 2: Der Paraffinbecher: Paraffin als Latentwärmespeicher Materialien: 3 x 250 ml Bechergläser (eng), Kristallisierschale (500 ml dient als Wasserbad), Heizplatte, 2 x 150 ml Messzylinder, 2 x 150 ml Bechergläser (eng), Plastikschüssel, 400 ml Becherglas (weit), Paraffindeckel, 2 Thermometer, Spatel, Löffel, Trockenschrank, Stoppuhr Chemikalien: Paraffin (Fa. Fluka; Erstarrungspunkt: o C), Eis aus der Eismaschine, (oder zerstoßenes Eiswürfel aus dem Gefrierfach), dest. Wasser Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Die Heizplatten werden sehr heiß. Verbrennungsgefahr! - Benutze, wenn du mit heißen Geräten oder heißen Flüssigkeiten arbeitest, aufgeschnittene Gummischlauchstücke, die du dir an die Finger klemmst. In diesem Versuch sollst du zwei Abkühlungskurven von temperierten Wasser (80 o C) aufnehmen. Das Wasser befindet sich einmal im Paraffinbecher, den du selber herstellst und zum anderen in einem einfachen Becherglas. Die Gefäße werden in eine Schüssel mit Eis gestellt, die eine Umgebungstemperatur von 0 o C garantiert (s. Versuchsaufbau). Die Temperaturmessungen werden gleichzeitig vorgenommen. Versuchsaufbau: Thermometer Eis als Umgebung Paraffinbecher mit 80 o C Wasser gefüllt Becherglas mit 80 o C Wasser gefüllt Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 6 von 20

7 Durchführung: Die Arbeitsschritte 1-4 sind bereits vorbereitet. 1. Wiege etwa 80 g Paraffinpastillen in ein 250 ml Becherglas (eng) und stelle dieses in ein auf 80 o C temperiertes Wasserbad (steht zentral bereit). 2. Fülle jeweils 200 ml dest. Wasser mit einem Messzylinder in zwei weitere 250 ml Bechergläser (eng) und stelle sie in dasselbe Wasserbad. 3. Stelle zwei leere 150 ml Messzylinder (beschriftet mit Wasser und Paraffin ) in einen 80 o C heißen Trockenschrank, um sie anzuwärmen. 4. Fülle die Plastikschüssel fast bis zum Rand mit Eis. Sie garantiert eine konstante Umgebungstemperatur von 0 o C. 5. Stelle nun den Paraffinbecher (doppelwandiger Becher aus zwei Bechergläsern, dessen Zwischenraum mit Paraffin gefüllt ist) her (s. Skizze unten). Arbeite zügig, damit das temperierte Wasser nicht abkühlt. Gieße hierfür den Boden eines 400 ml Becherglases (weit) etwa 1 cm hoch mit dem flüssigen Paraffin (80 o C) aus und warte bis es erstarrt ist (stelle in der Zwischenzeit das restliche flüssige Paraffin wieder zurück in das Wasserbad). Stelle auf den Paraffinboden dieses Becherglases ein weiteres 150 ml Becherglas (eng), das unmittelbar vorher mit 80 o C heißem Wasser gefüllt ist (mit Hilfe des temperierten Messzylinders) und fülle zügig den Zwischenraum der beiden Bechergläser mit dem flüssigen Paraffin (80 o C) bis zum Rand des kleineren Becherglases auf. Verschließe den Paraffinbecher mit dem bereit gestellten Paraffindeckel + Thermometer. Wasser (80 o C) Paraffin (flüssig) Paraffinboden 6. Fülle nun ein zweites 150 ml Becherglas (eng) mit Hilfe des temperierten Messzylinders aus dem Trockenschrank mit 80 o C heißem Wasser aus dem Becherglas im Wasserbad und stelle es bis zum Rand ins Eis. Hänge noch zusätzlich ein Thermometer hinein. 7. Stelle den Paraffinbecher ebenfalls bis zum Rand ins Eis. 8. Notiere in der vorgegebenen Tabelle für 50 min alle 30 Sekunden die Temperatur beider Becher mit und ohne Paraffin (P. und o.p.) und beobachte gleichzeitig den Paraffinbecher. 9. Dein/e Partner/in kann die Temperatur-Werte für beide Becher in das Diagramm eintragen. Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 7 von 20

8 Was beobachtest du? P. P. P. 0,0 11,5 23,0 0,5 12,0 23,5 1,0 12,5 24,0 1,5 13,0 25,5 2,0 13,5 26,0 2,5 14,0 26,5 3,0 14,5 27,0 3,5 15,0 27,5 4,0 15,5 28,0 4,5 16,0 28,5 5,0 16,5 29,0 5,5 17,0 29,5 6,0 17,5 30,0 6,5 18,0 30,5 7,0 18,5 31,0 7,5 19,0 31,5 8,0 19,5 32,0 8,5 20,0 32,5 9,0 20,5 33,0 9,5 21,0 33,5 10,0 21,5 34,0 10,5 22,0 35,5 11,0 22,5 36,0 Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 8 von 20

9 P. P. P. 36,5 41,5 46,5 37,0 42,0 47,0 37,5 42,5 47,5 38,0 43,0 48,0 38,5 43,5 48,5 39,0 44,0 49,0 39,5 44,5 49,5 40,0 45,0 50,0 40,5 45,5 41,0 46,0 Diagramm: Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 9 von 20

10 Vergleiche die Wasser-Abkühlungs-Kurvenverläufe vom Paraffinbecher und vom Becher ohne Paraffin. Kannst du einen Unterschied beobachten? Wenn ja, an welcher Stelle tritt der Unterschied auf (was passiert an dieser Stelle mit dem Paraffin)? Ist Paraffin ein Latentwärmespeicher? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 10 von 20

11 Name: Datum: Versuch 3: Mikroverkapselung von Paraffin mit Alginat Materialien: 6 x 100 ml Bechergläser, Kristallisierschale (500 ml dient als Wasserbad), Heizplatte, Kunststoffpipette, Glasstab, Waage, 1 Thermometer, Spatel, Löffel, Sieb, Papiertuch Chemikalien: Paraffin (Fa. Fluka; Erstarrungspunkt: o C), Mulsifan RT 258 (Fa. Zschimmer und Schwarz), Sudan III, Na-Alginatlösung (1 %), Calciumchlorid-Lösung (CaCl 2 -Lösung 0,1 mol/l), dest. Wasser Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Die Heizplatten werden sehr heiß. Verbrennungsgefahr! Hintergrundinformation: Das Polysaccharid Alginat hat die Fähigkeit mit Calciumionen Gele zu bilden. Diese Eigenschaft wird in diesem Versuch zur Herstellung von Mikrokapseln genutzt. Durchführung: Der Arbeitsschritt 1 ist bereits vorbereitet. 1. Stelle eine mit Wasser halbvoll gefüllte Kristallisierschale auf die Heizplatte und stelle die Heizplatte auf ca. 130 o C ein. Kontrolliere mit einem Thermometer die Temperatur des Wasserbades. Es soll etwa 85 o C haben. 2. Wiege in ein 100 ml Becherglas 2 g Paraffin und 0,4 g Mulsifan (Emulgator für Paraffin) ein und stelle es für etwa 5 min in das 85 o C heiße Wasserbad. 3. Fülle mit einer Kunststoffpipette 10 ml Alginat-Lösung in ein zweites 100 ml Becherglas und stelle es auch für 5 min in das Wasserbad. 4. Gib nun unter Rühren mit einem Glasstab die Alginatlösung zum Paraffin- Mulsifan-Gemisch und füge, wenn das Gemisch homogen ist, eine Spatelspitze Sudan III hinzu. 5. Nimm den Ansatz aus dem Wasserbad heraus und lass in kurz abkühlen. 6. Fülle etwa 40 ml CaCl 2 -Lösung in ein drittes 100 ml Becherglas und tropfe mit Hilfe einer Kunststoffpipette langsam das Paraffin-Mulsifan-Alginat- Gemisch in die CaCl 2 -Lösung. Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 11 von 20

12 Was beobachtest du? 7. Wiederhole die Arbeitsschritte 2-6, lass in Arbeitsschritt 2 aber das Mulsifan weg. Was beobachtest du? 8. Filtriere die Paraffin-Kapseln aus dem ersten Teil des Versuches über das Sieb ab, wasche sie dreimal mit dest. Wasser und lege sie zum Trocknen auf ein Papiertuch. Welchen Vorteil hat die Verkapselung von Paraffin für den Einsatz als latenter Wärmespeicher? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 12 von 20

13 Name: Datum: Versuch 4: Thermobecher mit mikroverkapseltem Paraffin Materialien: 2 x 250 ml Bechergläser (eng), Kristallisierschale (500 ml dient als Wasserbad), Heizplatte, 100 ml Messzylinder, 2 x 100 ml Bechergläser (eng), 250 ml Becherglas (weit), Paraffindeckel, 2 Thermometer, Spatel, Löffel, Trockenschrank, Stoppuhr, Frischhaltefolie, kleiner Trichter Chemikalien: mikroverkapseltes Paraffin, dest. Wasser Sicherheitshinweise: - Wenn du lange Haare hast, binde sie zusammen. - Die Heizplatten werden sehr heiß. Verbrennungsgefahr! - Benutze, wenn du mit heißen Geräten oder heißen Flüssigkeiten arbeitest, aufgeschnittene Gummischlauchstücke, die du dir an die Finger klemmst. Durchführung: Die Arbeitsschritte 1-2 sind bereits vorbereitet. 1. Fülle jeweils etwa 200 ml dest. Wasser in zwei 250 ml Bechergläser (eng) und stelle sie in das 80 o C temperierte Wasserbad. 2. Stelle einen 100 ml Messzylinder in einen 80 o C heißen Trockenschrank. 3. Stelle nun den Thermobecher mit mikroverkapseltem Paraffin her: Fülle hierfür den Boden eines 250 ml Becherglases (weit) etwa 1 cm hoch mit dem mikroverkapselten Paraffin (aus Versuch 3). Stelle auf den Paraffinboden dieses Becherglases ein weiteres 100 ml (eng) Becherglas, dessen Öffnung mit Frischhaltefolie verschlossen ist (damit keine Paraffinkapseln hineinfallen) und fülle den Zwischenraum der beiden Bechergläser mit Hilfe eines kleinen Trichters mit dem mikroverkapselten Paraffin bis zum Rand des kleineren Becherglases auf. Entferne nun die Frischhaltefolie und fülle mit dem temperierten Messzylinder 100 ml temperiertes Wasser (80 o C) in das 100 ml Becherglas. Verschließe den Paraffinbecher mit dem Paraffindeckel + Thermometer. 4. Fülle nun ein zweites 100 ml Becherglas (eng) mit Hilfe des temperierten Messzylinders mit 80 o C heißen Wasser. Hänge noch zusätzlich ein Thermometer hinein. 5. Stelle den doppelwandigen Becher mit dem Paraffinmantel und das einfache Becherglas nebeneinander und notiere in der vorgegebenen Tabelle für 50 min alle 30 Sekunden die Temperaturen des Wassers in den beiden Bechern mit und ohne verkapseltem Paraffin (P. und o.p.). Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 13 von 20

14 6. Dein Partner kann in der Zwischenzeit die Werte beider Becher zusammen in das Diagramm eintragen (P.-Becher: rot, o.p.-becher: blau). Was beobachtest du? P. P. P. 0,0 11,5 23,0 0,5 12,0 23,5 1,0 12,5 24,0 1,5 13,0 24,5 2,0 13,5 25,0 2,5 14,0 25,5 3,0 14,5 26,0 3,5 15,0 26,5 4,0 15,5 27,0 4,5 16,0 27,5 5,0 16,5 28,0 5,5 17,0 28,5 6,0 17,5 29,0 6,5 18,0 29,5 7,0 18,5 30,0 7,5 19,0 30,5 8,0 19,5 31,0 8,5 20,0 31,5 9,0 20,5 32,0 9,5 21,0 32,5 10,0 21,5 33,0 10,5 22,0 33,5 11,0 22,5 34,0 Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 14 von 20

15 P. P. P. 34,5 40,0 45,5 35,0 40,5 46,0 35,5 41,0 46,5 36,0 41,5 47,0 36,5 42,0 47,5 37,0 42,5 48,0 37,5 43,0 48,5 38,0 43,5 49,0 38,5 44,0 49,5 39,0 44,5 50,0 39,5 45,0 Diagramm: Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 15 von 20

16 Vergleiche die Wasser-Abkühlungs-Kurvenverläufe vom Becher, der mit mikroverkapseltem Paraffin ummantelt ist, mit der vom einfachen Becherglas. Kannst du einen Unterschied beobachten? Welchen Becher (den mit Paraffin aus Versuch 2 oder den mit mikroverkapseltem Paraffin aus Versuch 4) würdest du für die Produktion von Warmhaltebechern einsetzen (welche Paraffin-Form lässt sich besser verarbeiten)? Begründe deine Antwort. Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 16 von 20

17 Lösungen zum Ansetzen Paraffindeckel: In der Mitte zweier Petrischalen-Deckel (Ø = 10 cm) wird z.b. mit einer Schere - jeweils vorsichtig ein Loch gemacht, so dass ein Thermometer durchgesteckt werden kann. Das Loch der ersten Petrischale wird von außen mit Tesafilm zugeklebt und 5 mm hoch flüssiges Paraffin (80 o C) eingegossen. Wenn das Paraffin anfängt zu erstarren wird der zweite Petrischalen-Deckel mit der Oberseite aufgelegt. Der Paraffin- Deckel wird zur Seite gelegt bis das Paraffin vollständig erstarrt ist. Nun kann das Tesafilm entfernt und ein Thermometer durchgesteckt werden. Na-Alginat-Lösung (1 %): 1 g Na-Alginat mit dest. Wasser auf 100 g auffüllen und mindestens 1 h quellen lassen bis alles gelöst ist. Die Lösung ist mehrere Tage im Kühlschrank auch über Wochen - haltbar. Calciumchlorid-Lösung (CaCl 2 ; 0,1 mol/l) 21,9 g CaCl 2 * 6 H 2 O mit dest. Wasser auf 1000 ml auffüllen Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 17 von 20

18 Materialliste für 30 SchülerInnen bzw. 15 Zweiergruppen (pro Platz) Versuch 1: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (weit) Kristallisierschale (500 ml): dient als Wasserbad Heizplatte, Siedesteinchen Löffel Stativ, 2 Halterungen 2 Thermometer Stoppuhr Eis Heißes Wasser Versuch 2: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 3 x 250 ml Bechergläser (eng) Kristallisierschale (500 ml): dient als Wasserbad Heizplatte 2 x 150 ml Messzylinder 2 x 150 ml Bechergläser (eng) 400 ml Becherglas (weit) Plastikschüssel für Eis Paraffin-Deckel + Thermometer Thermometer Spatel, Löffel, Stoppuhr Trockenschrank Paraffin-Pastillen (Fa. Fluka, Erstarrungspunkt: o C) Eis dest. Wasser Versuch 3: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 6 x 100 ml Bechergläser Kristallisierschale (500 ml): dient als Wasserbad Heizplatte Kunststoffpipette, Spatel, Löffel Sieb, Glasstab, Papiertuch Thermometer Waage Paraffin-Pastillen (Fa. Fluka, Erstarrungspunkt: o C) Mulsifan RT 258 (Fa. Zschimmer und Schwarz; Emulgator für Paraffin) Sudan III Na- Alginat-Lösung (1 %) Calciumchlorid-Lösung (CaCl 2 -Lösung; 0,1 mol/l) dest. Wasser Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 18 von 20

19 Versuch 4: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) ml Bechergläser (eng) Kristallisierschale (500 ml): dient als Wasserbad Heizplatte 100 ml Messzylinder ml Bechergläser (eng) 250 ml Becherglas (weit) Paraffindeckel mit Thermometer Thermometer Spatel, Löffel Stoppuhr, Frischhaltefolie, kleiner Trichter Trockenschrank Mikroverkapseltes Paraffin aus Versuch 3 dest. Wasser Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 19 von 20

20 Laboreinteilung: Wärmespeicherungs-Versuche Abzug 20 kleines 17 Labor Abzug Abzug frei Waschbecken Reservematerial Tür Tür Trockenschrank 7 Tür großes Labor Waschbecken Abzug Abzug frei frei Abzug (Abfall) Waschbecken Spülmaschine Versuche: Alle Versuche werden am Platz durchgeführt. Versuch 1 Wasser als Latentwärmespeicher Versuch 2 Der Paraffinbecher - Paraffin als Latentwärmespeicher Versuch 3 Mikroverkapselung von Paraffin mit Alginat Versuch 4 Thermobecher mit mikroverkapseltem Paraffin Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 20 von 20