Wärmelehre

Innere Energie - Wärmekapazität

Schmelzwärme von Eis

  • Was lässt sich leichter erwärmen, Wasser oder Blei?
  • Warum ist es am Meer oft wärmer als im Landesinneren?
  • Kann man Eisen mit einem Hammer zum Glühen bringen?
  • Warum schwitzen wir eigentlich im Sommer?

Schmelzwärme von Eis

Vorbemerkung
Wenn man ein Stück Eis aus dem Gefrierschrank entnimmt und es an einen warmen Ort bringt, dann beginnt es zu schmelzen. Dies heißt, Wasser fester Form geht in Wasser flüssiger Form über. Dazu müssen die Wassermoleküle aus der relativ festen Bindung im Eis unter Energieaufwand in die schwächere Bindung, wie sie zwischen Wassermolekülen im flüssigen Zustand besteht, übergeführt werden. Das Aufbrechen der festen Bindungen erfordert Energie, die das schmelzende Eis seiner wärmeren Umgebung entzieht.

Schmelzendes Eis hat - wie sein umgebendes Schmelzwasser - die Temperatur ϑ = 0°C. Die Umwandlung vom festen Eis in den flüssigen Zustand geschieht also ohne Temperaturänderung.


Versuchsziel
Es soll zunächst die Schmelzenergie Es für ein bestimmtes Stück Eis bestimmt werden (Körpergröße). Anschließend wird daraus die spezifische Schmelzwärme (Materialgröße) s = Es/me bestimmt.

Versuchsdurchführung

  • Das dem Gefrierschrank entnommene Eis wird eine Weile an der Luft liegen gelassen, bis die Oberfläche anschmilzt (wir wollen Eis von 0°C verwenden).
  • In das Kalorimetergefäß wird Wasser gefüllt (mw, ϑw, cw)
  • Auf die Waage mit der das Eis abgewogen wird, legen wir zunächst ein Filterpapier und darauf das Eisstück. Wir führen die Wägung von Eis und Filterpapier durch (m2), trockenen das Eis gut ab und bringen es dann in das Kalorimetergefäß. Das noch auf der Waage befindliche, feuchte Filterpapier habe die Masse m1. Somit gilt für die Masse des Eises: me = m2 - m1
  • Das Kalorimeterwasser wird solange umgerührt, bis das Eis ganz geschmolzen ist und sich ein Temperaturminimum ϑm eingestellt hat.

Aufgabe

Stelle eine Energiebilanz auf, die es gestattet die Schmelzwärme Es des Eisstückes zu berechnen.


Ergebnis: Der Literaturwert für die spezifische Schmelzenergie von Eis ist 335 J/g. Man braucht also 335 J, um 1g Eis von 0°C in 1g Wasser von 0°C umzuwandeln.

Zusatzfragen

Was würde es für die Mischtemperatur bedeuten, wenn man die Eisstückchen nicht abtrocknen würde, sondern das Schmelzwasser auf der Oberfläche des Eises mit in das Kalorimeter bringen würde?

Welche Vernachlässigung hat man bei obiger Rechnung - stillschweigend - gemacht?

Hinweis:
Eis hat im Vergleich zu anderen Substanzen eine relativ hohe spezifische Schmelzwärme. Dies bedeutet, dass man im Vergleich zu anderen Substanzen (vgl. Graphik) relativ viel Energie aufwenden muss, um Eis in den flüssigen Zustand zu überführen. Um den Grund für den hohen Wert der spezifischen Schmelzwärme verstehen zu können, müssen wir einen kleinen Ausflug in die Atomphysik machen.

Die relativ starke Bindung der Eismoleküle lässt sich auf den Dipolcharakter des Wassermoleküls zurückführen. Das Molekül besteht aus zwei Atomen Wasserstoff (H) und einem Atom Sauerstoff (O). Bedingt durch elektrische Kräfte bilden diese Atome das Wassermolekül H2O. Aufgrund der speziellen Lage der Wasserstoffatome in Bezug auf das Sauerstoffatom fallen die Schwerpunkte der positiven und negativen elektrischen Ladung im Molekül nicht zusammen. Man sagt das Wassermolekül hat einen Dipolcharakter.

Wassermolekül

Diesem Dipolcharakter des einzelnen Moleküls ist es zuzuschreiben, dass zwischen den Wassermolekülen eine sogenannte Wasserstoffbrückenbindung entsteht. Diese Brückenbindung zwischen den einzelnen Molekülen ist in der nebenstehenden Zeichnung jeweils durch eine gepunktete Linie symbolisiert.

So zieht z.B. das elektronegative Sauerstoffatom des oberen Moleküls ein elektropositives Wasserstoffatom des Moleküls im Zentrum an. Auf diese Weise besitzt ein Wassermolekül vier Wasserstoffbrückenbindungen mit Nachbarmolekülen. Die Wasserstoffbrückenbindung ist der tiefere Grund für den hohen Wert der spezifischen Schmelzwärme von Eis, aber auch für die relativ hohe Schmelz- und Siedetemperatur im Vergleich zu anderen vergleichbaren Stoffen wie Methanol und Ethanol.


Brückenbindung
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