Latentwärmespeicher

Paul und Lea lieben Schneeballschlachten. Wenn nur nicht immer die kalten Hände wären. Da holt Paul ein kleines rotes Pack aus seiner Tasche. Das Pack fühlt sich schön warm an und die beiden wärmen ihre Hände daran. Lea sieht Paul fragend an. Was ist in diesem kleinen Pack und warum wird es so schön warm? Mit diesen Fragen wollen wir uns nun genauer beschäftigen. Bei diesem kleinen Pack handelt es sich um einen Taschenwärmer. Aber woraus besteht so ein Taschenwärmer eigentlich und wie funktioniert er?

Die Wärmekissen bestehen aus einer Salz-Wasser-Mischung, die in Kunststoff luftdicht verpackt ist. In der Mitte befindet sich ein Metallplättchen. Wird das Pack nun in heißem Wasser erwärmt, kannst du beobachten, wie die Salzmischung im Inneren flüssig wird. Diese Flüssigkeit bleibt auch beim Abkühlen des Wärmekissens bestehen. Wird nun das Metallplättchen in der Mitte des Kissens geknickt, wird der Taschenwärmer warm. Die Wärme, die durch das heiße Wasser dem System zugefügt wurde, wird also wieder frei. Bei der hier frei gegebenen Wärme spricht man auch von latenter Wärme. Das bedeutet so viel wie verborgene Wärme. Daher kommt auch der Name “Latentwärmespeicher”

Schauen wir uns dazu einen Versuch an. Das Salz, welches in Taschenwärmern zum Einsatz kommt, ist Natriumacetat Trihydrat. Wenn du nun 500 g dieses Salzes zusammen mit 50 ml Wasser in einem Becherglas mischst, dann löst sich das Salz nicht vollständig im Wasser. Wenn du das Gemisch nun zum Sieden bringst, löst sich das Salz in der Siedehitze vollständig auf. Nun lässt du die Lösung abkühlen.

Eigentlich ist zu erwarten, dass bei Raumtemperatur das Salz wieder auskristallisiert, da die Löslichkeit des Salzes im kalten Wasser wieder unterschritten wird. Im Experiment bleibt eine Kristallisation des Salzes allerdings aus.

Aber warum lässt sich an beim Abkühlen keine Kristallisation feststellen? Grundsätzlich steigt die Löslichkeit von Salzen mit steigender Temperatur, wenn der Lösungsvorgang endotherm ist. Es löst sich dann also in einer bestimmten Menge des Lösungsmittels bei höheren Temperaturen mehr Salz, als bei niedrigen Temperaturen. Wird also eine heiß gesättigte Salz-Lösung hergestellt, ist zu erwarten, dass beim Abkühlen das Salz auskristallisiert. Beim vorsichtigen Abkühlen der Natriumacetat-Trihydrat-Lösung bleibt die Kristallisation allerdings aus. Solche Lösungen werden auch als “übersättigt” bezeichnet. Das bedeutet, dass sich mehr Salz im Wasser gelöst hat, als eigentlich möglich. Diesen Zustand kannst du über mehrere Tage so erhalten. Er wird auch als metastabil bezeichnet.

Um nun die Kristallisation auszulösen, benötigst du einen Anstoß. Das kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Zum einen durch einen mechanischen Reiz, also zum Beispiel durch Reiben mit einem Glasstab an der Wand des Becherglases oder durch einen Impfkristall, also ein kleines Körnchen Natriumacetat, das du dann in die Lösung gibst. Dadurch setzt schlagartig die Kristallisation der Lösung ein und es entsteht Wärme. Das Lösen des Salzes ist also ein endothermer Prozess, bei dem Wärme benötigt wird. Die Wärmeenergie wird dabei in Form von chemischer Energie gespeichert. Das Kristallisieren verläuft dann exotherm, es wird also wieder Wärme frei. Im Taschenwärmer laufen die gleichen Prozesse ab, wie in dem eben gezeigten Versuch. Du erwärmst das wasserhaltige Salz in deinem Taschenwärmer, du fügst also Wärme zu und das Salz löst sich. Beim Abkühlen bleibt die klare Lösung erhalten, es handelt sich um ein metastabiles System. Das Knicken des Metallplättchen im inneren übt dann einen mechanischen Reiz aus, der das Kristallisieren des Salzes bewirkt. Dieser Prozess setzt dann die gespeicherte Energie frei und der Taschenwärmer wird warm.

Solche Latenwärmespeicher finden nicht nur Anwendung als Taschenwärmer. Sie werden oft in der Gastronomie verwendet, um Speisen warm zu halten, oder beim Transport von Speisen. Aber auch als wärmespeichernde Baustoffe oder für den Transport temperaturempfindlicher Medizin werden Latentwärmespeicher verwendet. Du hast heute gelernt, was ein Latentwärmespeicher ist und wozu er verwendet werden kann. Du weißt nun, dass ein Taschenwärmer Natriumacetat-Trihydrat enthält und nach dem Erwärmen die Energie speichern kann. Du weißt nun, dass das Plättchen im Inneren wichtig ist, um die Kristallisation und damit die Freisetzung der Wärme auszulösen. Systeme, die erst einen Anstoß zum Kristallisieren benötigen, werden auch als metastabil bezeichnet. Die Prozesse im Latentwärmespeicher sind reversibel, so dass er immer wieder verwendet werden kann. Tschüß und bis bald.