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Symbolbild "Zeitschriften"

Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Eis

Mit einer sehr einfachen Apparatur lässt sich nun die Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Eis in einer einzigen Kurzzeitmessung bestimmen.

Bildquelle: blickwinkel.de/Sailer/Schnizler

Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen existiert bereits das instationäre Heizstreifenverfahren (s. PTBnews 2.2000). Hierbei wird ein dünner Metallstreifen zwischen zwei quaderförmige Probenhälften geklemmt und mit Hilfe einer Vierleiter-Widerstandsmessung mit großem Strom sein Temperaturanstieg - als Maß der Wärmeleitfähigkeit - aufgezeichnet.

Spannt man den Streifen der Länge nach in ein verschließbares Rohr, so lassen sich auch Flüssigkeiten und Gase untersuchen. Mit einer derartig einfachen Messzelle ist es erstmals gelungen, die Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig von Wasser und von Eis zu messen. Das Wasser wird zunächst auf - 3 °C abgekühlt und die Wärmeleitfähigkeit des Eises gemessen. Bricht man das Experiment am Gefrierpunkt nicht ab, so beginnt das Eis am Heizstreifen zu schmelzen. Die hierbei erzeugte Phasengrenze "fest - flüssig" wird von der nach außen strebenden Wärme allmählich durch die Probe geschoben, bis sie schließlich die Rohrwandung erreicht. Dieser Vorgang benötigt Umwandlungswärme, die dem Streifen laufend entzogen wird. Dessen Signal ist entsprechend verändert und liefert nun ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit von Wasser und dessen Umwandlungswärme. Spannt man im Rohr parallel zum Streifen einen dünnen Platindraht, so lässt sich mit diesem zusätzlichen Temperatursensor auch noch die Temperaturleitfähigkeit der Probeflüssigkeit bestimmen. Trotz des einfachen Messaufbaus aus Streifen, Stromquelle, Voltmeter und PC lassen sich Unsicherheiten von 3 % erreichen.

Mit dem skizzierten Experiment an der Modellsubstanz Wasser konnte die Theorie der Wärmeleitung mit Phasenänderung eindrucksvoll bestätigt werden. Die nun möglichen Messungen "durch die Phasengrenze" können darüber hinaus schnell und zuverlässig oft benötigte thermische Transportgrößen aus diesem schwer zugänglichen Temperaturintervall liefern, z. B. für das schonende Einfrieren von Lebensmitteln oder auch den Transport und die Verarbeitung von Erdöl.

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