Kühlung mit Eiswasser

Wissenschaft Physik
#1

Guten Morgen und ein schönes 2005 allerseits.

Hab die Festlichkeiten mit Doktoranten
der Chemie und Physik verbracht, auf einer Berghütte.
Ich selbst bin Bauarbeiter und mit denen verwand, ansonsten
wär ja ein Zusammentreffen von solchen Letuen eher undenkbar.

Die Getränke haben wir in der gut beheizten Hütte gelassen,
draussen hätten sie ja einfrieren können.
Es stellte sich stets das Problem der schnellen Kühlung.
Wir waren uns einig, dass das Kühlmittel (Eis und Schnee)
nicht wesentlich kälter als 0 Grad sein sollte.
Das weiss ich noch vom Schulunterricht. Nur das Warum führte
zu heftigen Diskussionen.

Ich weis gar nicht ob das stimmt,
aber ich gehe mal von folgendem aus:

Man möchte möglichst schnell lauwarme
Getränke auf eine betimmte Temperatur (so 7 ° Celcius)
bringen. (also nicht möglichst kalt, oder lange kalt, sondern nur möglichst schnell)

Dazu hab ich so Kunststoffkugeln mit Wasser drin ins Eisfach gelegt.
Das Eisfach kann bis so -20 ° Celcius.

Nun macht es keinen Sinn, sie auf -20 ° runter zu kühlen,
sondern es ist besser auf etwa 0 Grad.
Erstaunlicherweise erfüllt das den gewünschten Zweck besser.

Warum ist das so?

Weil das Eis beim Schmelzen der Umgebung mehr Energie entzieht,
als es das bei einem Temperaturunterschied von einigen 10 Graden tut.
Der Wechsel des Aggregatzustandes von fest auf flüssig hat ungleich mehr Kühleffekt als einige 10 Grade Temperaturunterschied.

oder

Weil Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, Wasser hingegen ist ein guter. Die Kälte im Inneren der Eiskugeln gelangt wesentlich schneller an die Aussenhaut der Kugeln und somit an das Getränk, wenn das Eis
schon fast Wasser ist, es wird ja schnell zu Wasser im Laufe des Vorgangs.

In letzterem Falle bräuchte ich ja gar kein Eis unbedingt,
Wasser so um die 0.5 Grad tät’s ja dann auch.

Wenn ich nun einen Eimer nehme mit Wasser, Eis darein lege,
und dann die Getränkeflaschen,
sollte das Eis hier auch kurz vor dem Schmelzen sein.
Oder ich leg die Flaschen in den Schnee, sollte der Schnee
auch nur so 0 Grad kalt sein, un nicht kälter.
wo liegt hier der Grund, Aggregatwechsel oder Wärmeleitung.

Wie heisst der Effekt, kann man das ausrechnen, gibts einen Link dazu?
Ich kann mir gut vorstellen, dass die Wärmeleitfähigkeitsgeschichte unter bestimmten Konstellationen der Hauptgrund für die schnellere Kühlung sein kann, aber in der Welt der Getränkekühlung ist es wohl eher der Aggregatszustand, so glaube ich, die Damen und Herren Doktoranden sahen aber stets den einizigen Grund in der Wärmeleitfähigkeit. Ich bin total verwirrt, kann es sein,
dass das mit dem Energieentzug bei Aggregatzustandswechsel
nur für Flüssig->Gas gilt? Haben die Doktoranden aber nicht gesagt.

Dankeschön!

#2

Das ist die Antwort
Hallo Hannes,

Deine ganze Frage habe ich nicht gelesen, entschuldige, aber ich habe mich vor kurzem ueber das Gebiet schlau gemacht, weil ich wissen wollte, welche Fluessigkeit am zweckmaessigsten als Waermepuffer eignen wuerde bei Stromausfall einer Gefriertruhe. Dia Antwort:

Eis hat einen Waermeinhalt von halb dem was Wasser hat, also 0,5 kcal/g und Grad (ist die Dimension richtig?) Jetzt rechnet man mit Joule, aber das hat keine Bewandtnis.

Bei schmelzendem Eis werden pro Gramm und Grad 60 kcal benoetigt.

Deshalb entzieht schmelzendes Eis der umgebenden Fluessigkeit wesentlich mehr Waerme als die unterkuehlten Eisstuecke.

Das war doch was Du wissen wolltest, oder?

Prosit 2005 und Gruesse, Rudolf

#3

Hallo Hannes,

nachdem ich bis zum Ende gelesen habe:

Mit WaermeLEITFAEHIGKEIT hat das nichts zu tun sondern mit WaermeINHALT

Gruesse, Rudolf

#4

Danke, das war genau das, was ich wissen wollte,
und schon meinen promovierenden Verwandten gesagt hab.

Die Geschichte ist deshalb so lang,
weil ich alles Mögliche aufführen wollte,
was einen Doktoranden dazu verleiten könnte,
einen Zusammenhang mit Wärmeleitfähigkeit zu sehen.
Aber ich kenne als Bauarbeiter nicht alle wisenschaftlichen Belange
von Kühlmethoden, ich kenn mich nur mit schneller Bierkühlung aus.
Vielleicht kommen ja noch einige Antworten.

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#5

Hallo, Hannes und Rudolf,
neben der Theorie ist es immer ganz gut, ein wenig Empirie zu betreiben. Gestern war doch wieder mal eine gute Gelegenheit dazu:

Der alte Kellnertrick mit dem Sektkübel: Pulle Sekt so bei 20° - der Sektkübel mit Eis gefüllt und etwas Salz darüber gestreut ergibt eine Kältemischung, die bis -20° betragen kann - damit wird der Sekt dann auch wegen des guten Kontaktes recht schnell auf eine optimale Temperatur von ca. 7-8° heruntergekühlt.

Prost und gutes Neues Jahr
Eckard

#6

Hallo und auch ein gutes neues Jahr 2005!

Nur als kleine Korrektur.

Eis hat einen Waermeinhalt von halb dem was Wasser hat, also
0,5 kcal/g und Grad (ist die Dimension richtig?) Jetzt rechnet
man mit Joule, aber das hat keine Bewandtnis.

0,5 cal/g = 0,5 kcal/kg spezifische Wärmekapazität von Eis
1,0 cal/g = 1,0 kcal/kg spezifische Wärmekapazität von Wasser

Bei schmelzendem Eis werden pro Gramm und Grad 60 kcal
benoetigt.

Da ist es jetzt ohne Grad. Eis hat _vor_ und Wasser hat _nach_ dem Schmelzen (bei guter Mischung) überall 0°C. Also:
60 cal/g = 60 kcal/kg spezifische Schmelzenergie von H2O

Deshalb entzieht schmelzendes Eis der umgebenden Fluessigkeit
wesentlich mehr Waerme als die unterkuehlten Eisstuecke.

Verdampfen von Wasser ist der gleiche Vorgang. Auch hier ist eine enorme Energiemenge notwendig, bevor die Temperatur weiter steigt. Ich weiß aber leider keine Zahlen. :frowning:

Bye
Hansi

#7

Tja dann. Man nehme also unterkühlte Eiswürfel (so minus 10-20 °)
tue Salz drauf, schon schmiltzt das Eis zu Wasser, und man hat einen klasse Wärmeleiter um die Sektpulle rum. Die Kälte der Eiswürfel kommt voll zu Geltung, die Promovierer hatten also doch recht, wie soll es anders sein.
Aber irgendwie ist das ein ganz anderes Kühlmittel mit tieferem Schmelzpunkt. Es wandelt den Aggregatzustand von Fest zu Flüssig bei tieferer Temperatur, so dass der Energiesaugeffekt des Aggregatzustandwechsels auch bei tieferer Temperatur des Kühlmittels auftritt, als es bei reinem Eis der Fall wäre, und das bei kälterem Kühlmittel. Somit ist auch hier der Haupteffekt dem Aggregatzustandwechsel zu verdanken, und nicht der Wärmeleitung des (Salz)Wassers, so wie ich es sehe.

Nach den Formeln oben, müssten die eiswürfel so bestimmt -60 ° sein,
ehe sie die Kühlleistung eins schmiltzenden (Salz)Eises erreichen könnten. Nach dem Trick schmiltzt wohl auch so 0° kaltes Eis schneller, also ich nehm mir jetzt immer 'ne Packung Salz
mit auf die Baustelle.

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#8

Hallo,

ich Denke, der entscheidende Effekt um den es Dir geht
ist die Wärmeleitfähigkeit und im speziellen Fall
auch der Wärmeübergangskoeffizient (zwischen Flasche
zu Eis bzw. Wasser).

Es ist nun mal so, daß der Wärmeübergang von der Flaschen-
oberfläche zum umgebenden Medium stark abhängig von diesem
Medium ist.
Falls da sehr kalte (und damit harte) Eisbrocken im Eimer
liegen, ist die effektive Kühlfläche eher gering, weil die
Eisbrocken nur wenig Kontaktfläche haben. Die dazwischen
liegenden Luftposter nehmen nur sehr wenig Wärme weg.

Im anderen Fall, wenn Wasser die Flaschen umgibt, ist der
Wärmeübergang von Flasche -> Wasser sehr gut!
-> aus 2 Gründen

  1. Wasser hat eine hohe Wärme Kapazität.
  2. Wasser strömt/bewegt sich, so daß an die Grenzschicht
    zur Flasche ständig neues kaltes Wasser herangeführt wird
    (-> Konvektion)

Darin befindliche Eisbrocken haben den zusätzlichen
Effekt, daß das Wasser sich nicht über 0°C erwärmt,
weil jegliche Wärmeaufnahme erstmal dazu führt, daß die Schmelzwärme des Eises aufgebraucht wird.
Gruß Uwi

Hab die Festlichkeiten mit Doktoranten
der Chemie und Physik verbracht, auf einer Berghütte.
Ich selbst bin Bauarbeiter und mit denen verwand, ansonsten
wär ja ein Zusammentreffen von solchen Letuen eher undenkbar.

Die Getränke haben wir in der gut beheizten Hütte gelassen,
draussen hätten sie ja einfrieren können.
Es stellte sich stets das Problem der schnellen Kühlung.
Wir waren uns einig, dass das Kühlmittel (Eis und Schnee)
nicht wesentlich kälter als 0 Grad sein sollte.
Das weiss ich noch vom Schulunterricht. Nur das Warum führte
zu heftigen Diskussionen.

Ich weis gar nicht ob das stimmt,
aber ich gehe mal von folgendem aus:

Man möchte möglichst schnell lauwarme
Getränke auf eine betimmte Temperatur (so 7 ° Celcius)
bringen. (also nicht möglichst kalt, oder lange kalt, sondern
nur möglichst schnell)

Dazu hab ich so Kunststoffkugeln mit Wasser drin ins Eisfach
gelegt.
Das Eisfach kann bis so -20 ° Celcius.

Nun macht es keinen Sinn, sie auf -20 ° runter zu kühlen,
sondern es ist besser auf etwa 0 Grad.
Erstaunlicherweise erfüllt das den gewünschten Zweck besser.

Warum ist das so?

Weil das Eis beim Schmelzen der Umgebung mehr Energie
entzieht,
als es das bei einem Temperaturunterschied von einigen 10
Graden tut.
Der Wechsel des Aggregatzustandes von fest auf flüssig hat
ungleich mehr Kühleffekt als einige 10 Grade
Temperaturunterschied.

oder

Weil Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, Wasser hingegen ist
ein guter. Die Kälte im Inneren der Eiskugeln gelangt
wesentlich schneller an die Aussenhaut der Kugeln und somit an
das Getränk, wenn das Eis
schon fast Wasser ist, es wird ja schnell zu Wasser im Laufe
des Vorgangs.

In letzterem Falle bräuchte ich ja gar kein Eis unbedingt,
Wasser so um die 0.5 Grad tät’s ja dann auch.

Wenn ich nun einen Eimer nehme mit Wasser, Eis darein lege,
und dann die Getränkeflaschen,
sollte das Eis hier auch kurz vor dem Schmelzen sein.
Oder ich leg die Flaschen in den Schnee, sollte der Schnee
auch nur so 0 Grad kalt sein, un nicht kälter.
wo liegt hier der Grund, Aggregatwechsel oder Wärmeleitung.

Wie heisst der Effekt, kann man das ausrechnen, gibts einen
Link dazu?
Ich kann mir gut vorstellen, dass die
Wärmeleitfähigkeitsgeschichte unter bestimmten Konstellationen
der Hauptgrund für die schnellere Kühlung sein kann, aber in
der Welt der Getränkekühlung ist es wohl eher der
Aggregatszustand, so glaube ich, die Damen und Herren
Doktoranden sahen aber stets den einizigen Grund in der
Wärmeleitfähigkeit. Ich bin total verwirrt, kann es sein,
dass das mit dem Energieentzug bei Aggregatzustandswechsel
nur für Flüssig->Gas gilt? Haben die Doktoranden aber nicht
gesagt.

Dankeschön!

#9

Hallo,

ich Denke, der entscheidende Effekt um den es Dir geht
ist die Wärmeleitfähigkeit und im speziellen Fall
auch der Wärmeübergangskoeffizient (zwischen Flasche
zu Eis bzw. Wasser).

Es ist nun mal so, daß der Wärmeübergang von der Flaschen-
oberfläche zum umgebenden Medium stark abhängig von diesem
Medium ist.
Falls da sehr kalte (und damit harte) Eisbrocken im Eimer
liegen, ist die effektive Kühlfläche eher gering, weil die
Eisbrocken nur wenig Kontaktfläche haben. Die dazwischen
liegenden Luftposter nehmen nur sehr wenig Wärme weg.

Im anderen Fall, wenn Wasser die Flaschen umgibt, ist der
Wärmeübergang von Flasche -> Wasser sehr gut!
-> aus 2 Gründen

  1. Wasser hat eine hohe Wärme Kapazität.
  2. Wasser strömt/bewegt sich, so daß an die Grenzschicht
    zur Flasche ständig neues kaltes Wasser herangeführt wird
    (-> Konvektion)

Darin befindliche Eisbrocken haben den zusätzlichen
Effekt, daß das Wasser sich nicht über 0°C erwärmt,
weil jegliche Wärmeaufnahme erstmal dazu führt, daß die
Schmelzwärme des Eises aufgebraucht wird.
Gruß Uwi

Ja wie kalt soll denn das Eis denn sein, damit
möglicht schnell auf so 7° + gekühlt wird.
So um die 0 Grad, oder besser deutlich drunter?
Ich sag mal -10 ° odr - 20 °, mehr ist ja nicht drin, bei unseren
Kühlschränken oder in useren Breiten.

Hab die Festlichkeiten mit Doktoranten
der Chemie und Physik verbracht, auf einer Berghütte.
Ich selbst bin Bauarbeiter und mit denen verwand, ansonsten
wär ja ein Zusammentreffen von solchen Letuen eher undenkbar.

Die Getränke haben wir in der gut beheizten Hütte gelassen,
draussen hätten sie ja einfrieren können.
Es stellte sich stets das Problem der schnellen Kühlung.
Wir waren uns einig, dass das Kühlmittel (Eis und Schnee)
nicht wesentlich kälter als 0 Grad sein sollte.
Das weiss ich noch vom Schulunterricht. Nur das Warum führte
zu heftigen Diskussionen.

Ich weis gar nicht ob das stimmt,
aber ich gehe mal von folgendem aus:

Man möchte möglichst schnell lauwarme
Getränke auf eine betimmte Temperatur (so 7 ° Celcius)
bringen. (also nicht möglichst kalt, oder lange kalt, sondern
nur möglichst schnell)

Dazu hab ich so Kunststoffkugeln mit Wasser drin ins Eisfach
gelegt.
Das Eisfach kann bis so -20 ° Celcius.

Nun macht es keinen Sinn, sie auf -20 ° runter zu kühlen,
sondern es ist besser auf etwa 0 Grad.
Erstaunlicherweise erfüllt das den gewünschten Zweck besser.

Warum ist das so?

Weil das Eis beim Schmelzen der Umgebung mehr Energie
entzieht,
als es das bei einem Temperaturunterschied von einigen 10
Graden tut.
Der Wechsel des Aggregatzustandes von fest auf flüssig hat
ungleich mehr Kühleffekt als einige 10 Grade
Temperaturunterschied.

oder

Weil Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, Wasser hingegen ist
ein guter. Die Kälte im Inneren der Eiskugeln gelangt
wesentlich schneller an die Aussenhaut der Kugeln und somit an
das Getränk, wenn das Eis
schon fast Wasser ist, es wird ja schnell zu Wasser im Laufe
des Vorgangs.

In letzterem Falle bräuchte ich ja gar kein Eis unbedingt,
Wasser so um die 0.5 Grad tät’s ja dann auch.

Wenn ich nun einen Eimer nehme mit Wasser, Eis darein lege,
und dann die Getränkeflaschen,
sollte das Eis hier auch kurz vor dem Schmelzen sein.
Oder ich leg die Flaschen in den Schnee, sollte der Schnee
auch nur so 0 Grad kalt sein, un nicht kälter.
wo liegt hier der Grund, Aggregatwechsel oder Wärmeleitung.

Wie heisst der Effekt, kann man das ausrechnen, gibts einen
Link dazu?
Ich kann mir gut vorstellen, dass die
Wärmeleitfähigkeitsgeschichte unter bestimmten Konstellationen
der Hauptgrund für die schnellere Kühlung sein kann, aber in
der Welt der Getränkekühlung ist es wohl eher der
Aggregatszustand, so glaube ich, die Damen und Herren
Doktoranden sahen aber stets den einizigen Grund in der
Wärmeleitfähigkeit. Ich bin total verwirrt, kann es sein,
dass das mit dem Energieentzug bei Aggregatzustandswechsel
nur für Flüssig->Gas gilt? Haben die Doktoranden aber nicht
gesagt.

Dankeschön!

#10

Hallo Hannes,

Ja wie kalt soll denn das Eis denn sein, damit
möglicht schnell auf so 7° + gekühlt wird.
So um die 0 Grad, oder besser deutlich drunter?
Ich sag mal -10 ° odr - 20 °, mehr ist ja nicht drin, bei
unseren
Kühlschränken oder in useren Breiten.

Die Temperatur des Eises ist egal, also 0°C oder -30°C machen keinen großen Unterschied da

  • die Flasche ja wegen Wärmeleitfähigkeit im Wasser stehen sollte
  • Wasser nicht kälter als 0°C wird (ohne Salz)
  • solange Eis da ist, dass Wasser auch nicht wärmer wird als 0°C
  • sich der „~Kälteinhalt~“ von Eis nicht deutlich erhöht bei wenn es kälter als 0°C wird (Das meiste liegt im Wechesl des Aggregatzustands)

Sorge also nur dafür, dass immer noch genügend Eis da ist, egal ob einfacher Schnee, oder aus dem Eisfach.

Übrigens ist ein Eis-Wasser-Gemisch noch immer die preiswerteste und genaueste Art, ein Thermometer zu calibrieren (0°C). Das wurde zu meiner Zeit (90er) auch in Labors noch so gehandhabt.

Gruß
achim