Schmelzen von Eis
Worum geht es?
Beim Schmelzen passiert etwas scheinbar Unmögliches: Es fließt hinein, aber die steigt nicht. Die steckt komplett im Umbau. Sie bricht die Bindungen des Eisgitters auf, statt die Teilchen schneller zu machen. Der Preis dieses Umbaus heißt Schmelzwärme , und sie ist gewaltig: Eis zu schmelzen kostet so viel Energie, wie dasselbe Wasser um 80 Grad zu erwärmen.
Warum macht man dieses Experiment?
Der Haltepunkt widerlegt die naheliegendste Fehlvorstellung der Wärmelehre („ rein heißt rauf“) mit einer einzigen Kurve und trennt damit die Begriffe Wärme und Temperatur sauber voneinander. Ganz praktisch erklärt die riesige Schmelzwärme, warum Eiswürfel Getränke so lange kühlen, warum Schneeberge bis Juni liegen und warum Glatteis so zäh weggetaut werden muss.
Die physikalische Idee
Variante 1: Eiswasser wird gleichmäßig geheizt, die Temperaturkurve über der Zeit zeigt das Plateau bei 0 °C, solange noch Eis da ist. Variante 2 macht daraus eine Messung: Abgewogenes 0-°C-Eis kommt in warmes Wasser; aus der (überraschend tiefen) Mischtemperatur liefert die Energiebilanz aus dem Mischtemperatur-Experiment den Wert von .
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Mischtemperatur und Energiebilanz (Experiment)
- Spezifische Wärmekapazität (Experiment)
- Aggregatzustände
Wissenschaftliche Einordnung
Joseph Black entdeckte um 1760 genau an diesem Plateau die „latente“ (verborgene) : Wärme, die verschwindet, ohne das Thermometer zu bewegen. Damit war zum ersten Mal klar zwischen Wärme und unterschieden. Sein Schüler James Watt nutzte die riesige Umwandlungswärme des Wasserdampfs wenig später für die Dampfmaschine.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Die Schmelzwärme von Eis bestimmen
Bestimme die spezifische Schmelzwärme von Eis mit der Mischmethode im Styroporbecher.
Gesucht
- — spezifische Schmelzwärme (in )
Der Energiepreis des Gitterabbaus je Kilogramm, unser Ziel.
Gemessen
- — Masse des warmen Wassers (in )
Bestimmt die verfügbare Abkühl-Energie.
- — Masse des Eises (in )
Teilt am Ende die Bilanz und geht direkt in λ ein.
- — Anfangs- und Mischtemperatur (in )
Die Temperaturspanne liefert beide Seiten der Energiebilanz.
Bekannt
- — spezifische Wärmekapazität von Wasser (in )
Aus dem Wärmekapazitäts-Experiment: .
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Definiert die Schmelzwärme als Umwandlungsenergie je Kilogramm. Das ist die gesuchte Stoffkennzahl.Zur Formelsammlung
- Die Energiebilanz: Das warme Wasser bezahlt zwei Posten, das Schmelzen und das Aufwärmen des entstandenen Schmelzwassers von 0 °C auf die Mischtemperatur.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Gib 50 g abgetropftes 0-°C-Eis in 200 g Wasser von 40,0 °C im Styroporbecher, miss die Mischtemperatur nach vollständigem Schmelzen und berechne daraus die Schmelzwärme von Eis.
2Vorbetrachtung
Erst die falsche Vorhersage, dann die richtige: Behandeln wir das Eis probeweise so, als wäre es 0 °C kaltes Wasser, dann liefert die Mischungsregel aus dem Mischtemperatur-Experiment:
Landet die Messung deutlich tiefer, dann ist der Fehlbetrag nichts anderes als die sichtbar gemachte Schmelzwärme: , die das warme Wasser fürs Aufbrechen des Gitters bezahlen musste, bevor überhaupt gemischt werden konnte.
Die ehrliche Bilanz hat drei Posten: Das warme Wasser kühlt von auf ab und gibt dabei ab. Damit wird erstens das Eis geschmolzen () und zweitens das frisch entstandene Schmelzwasser von 0 °C auf erwärmt (). Diesen zweiten Posten vergisst man leicht, dabei macht er hier immerhin gut 3 kJ aus. Nach aufgelöst steht die Messkette da.
Warum das Eis nass sein muss: Nur Eis, das schon anschmilzt, hat sicher 0 °C. Trockenes Tiefkühl-Eis (−18 °C) bräuchte einen vierten Bilanzposten, und sein c ist ein anderes als das von Wasser.
3Geräte / Stoffe
Lagere das Eis im Eiswasserbad und tupfe es vor dem Wiegen kurz ab, denn anhaftendes Wasser zählt sonst als Eis. Styroporbecher mit Deckel verwenden und zügig arbeiten, damit der Becher nicht nebenbei an den Raum verliert.
Heizplatte mit Becherglas
Gleichmäßige Wärmezufuhr für die Schmelzkurve.
Digitalthermometer
Zeigt das Plateau, die zentrale Beobachtung dieses Versuchs.
Styroporbecher (Kalorimeter)
Hält die Energiebilanz der Mischmethode dicht, weil kaum mit der Umgebung ausgetauscht wird.
Waage (0,1 g)
Die tragen die ganze Rechnung von Variante 2.
Rührstab und Stoppuhr
Durchmischen und Zeittakt für die Kurve.
Eiswasserbad
Bringt das Eis vor dem Einwurf sicher auf genau 0 °C.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Styroporbecher mit 200 g Wasser (40 °C), Pfeil für einfallendes Eisstück, Thermometer durch den Deckel; daneben die Bilanz als Energie-Pfeildiagramm: ein Abgabepfeil, zwei Empfängerpfeile (Schmelzen, Aufwärmen).
Die Heizkurve von Wasser mit ihren Plateaus: Während eines Übergangs (Schmelzen, Sieden) steht die still. Die zugeführte arbeitet dann am Umbau des Teilchenverbands, nicht am Tempo der Teilchen.
Aufbau: Becherglas mit zerstoßenem Eis und wenig Wasser auf der Heizplatte, Digitalthermometer, Stoppuhr, Rührstab; für Variante 2 zusätzlich Waage, Styroporbecher (Kalorimeter) und abgetropftes 0-°C-Eis.
5Durchführung
Bringe 200 g Wasser auf etwa 40 °C, fülle es in den Becher und miss genau. Gib 50,0 g abgetupftes 0-°C-Eis dazu, Deckel drauf, rühren. Beobachte die , bis alles geschmolzen ist und die Anzeige stillsteht: Das ist .
6Beobachtung
| Größe | Wert |
|---|---|
| (warmes Wasser) | |
| (Eis, 0 °C) | |
| (nach Schmelzende) |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
Statt der „naiven“ 32 °C zeigt das Thermometer nur 16,1 °C. Die Hälfte der erwarteten Endtemperatur fehlt, verschluckt vom Schmelzen von gerade einmal 50 g Eis.
7Auswertung
Die Bilanz auflösen: Abgegeben hat das warme Wasser
Davon ging ins Aufwärmen des Schmelzwassers:
Der Rest, rund , hat 50 g Eis geschmolzen:
Der Tabellenwert liegt bei . Unsere Messung trifft ihn auf etwa ein Prozent.
Die Zahl einordnen: 334 kJ schmelzen ein Kilogramm Eis. Dieselbe würde das entstandene Wasser um erwärmen. Der reine Umbau von fest zu flüssig, ganz ohne Temperaturgewinn, kostet also so viel wie der Weg von 0 °C bis fast zum Sieden. Das erklärt den langen Haltepunkt aus Variante 1, die Ausdauer von Eiswürfeln im Getränk und auch, warum Streufahrzeuge gegen Glatteis chemisch (mit Salz) statt thermisch vorgehen.
8Fazit
Die Mischmethode liefert , nahe am Tabellenwert . Schmelzen kostet je Kilogramm so viel wie 80 K Erwärmung. Der Haltepunkt aus Variante 1 hat damit seine Zahl bekommen.
9Fehlerbetrachtung
Die Bilanzmethode erbt die Fehlerquellen des Mischtemperatur-Experiments und fügt eigene hinzu:
Anhaftendes Wasser am Eiseher systematisch
- Ursache
Nicht abgetupft, ein Teil der gewogenen „Eismasse“ ist schon flüssig.
- Auswirkung
Es wird weniger geschmolzen als gerechnet, fällt zu klein aus.
- Verbesserung
Eis kurz auf Küchenpapier abtropfen, sofort wiegen und einwerfen.
Eis kälter als 0 °Ceher systematisch
- Ursache
Direkt aus dem Tiefkühlfach statt aus dem Eiswasserbad.
- Auswirkung
Zusätzliche Aufwärm-Energie wird dem Schmelzen zugeschlagen, fällt zu groß aus.
- Verbesserung
Eis im Eiswasserbad auf 0 °C bringen (es schwimmt anschmelzend darin).
Becher- und Umgebungsverlusteeher systematisch
- Ursache
Der Becher nimmt selbst auf; bei langer Schmelzdauer sickert Wärme aus dem Raum ein.
- Auswirkung
Beide Effekte verfälschen die Bilanz in Gegenrichtungen um einige Prozent.
- Verbesserung
Styropor mit Deckel, kleines Eisstückformat für schnelles Schmelzen, zügig messen.
Das Wichtigste
- Der Haltepunkt
Solange Eis und Wasser gemeinsam vorliegen, bleibt die bei 0 °C stehen, egal wie stark geheizt wird. Erst wenn das letzte Eis weg ist, steigt sie wieder.
- Wohin die Wärme geht
Während des Plateaus arbeitet die am Abbau des Eisgitters. Sie löst Teilchen aus dem festen Verband, statt sie schneller zu machen: Umwandlungsenergie statt Temperaturerhöhung.
- Die Größe der Zahl
. Eis zu schmelzen kostet so viel, wie dasselbe Wasser von 0 auf 80 °C zu heizen. Deshalb kühlen Eiswürfel so nachhaltig.
- Messidee Mischmethode
Eis in warmes Wasser geben, Mischtemperatur messen. Die Energiebilanz (abgegebene = Schmelzen + Aufwärmen des Schmelzwassers) liefert λ ohne jedes Spezialgerät.