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Vollmer: KIS Köln EMITEC ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 5
Kopiervorlage 14
Keramik- und Eisenkatalysatoren im Vergleich: Wärmekapazität
Ein Autokatalysator funktioniert nur, wenn er eine Temperatur
von mindestens 250°C besitzt. Das bedeutet, daß ein Auto in den
ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase
produziert. Es ist also wichtig, daß der Katalysator möglichst
schnell von dem durchströmenden Abgas erhitzt wird. Dabei spielen
die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Trägermaterials
eine große Rolle.
Der „Joghurtbecherversuch“
Ermittlung der Wärmekapazitäten von Eisen und Keramik
Meßprinzip
Im „Joghurtbecherversuch“ werden Eisen bzw. Porzellan (Feinkeramik),
die Raumtemperatur besitzen, mit heißem Wasser gemischt.
Das heiße Wasser gibt solange Wärme an die Materialien
ab, bis das Wasser und die Stoffe die gleiche Temperatur - die
Mischungstemperatur- besitzen. Aufgrund der verschiedenen
Wärmekapazitäten der beiden Stoffe stellen sich unterschiedliche
Mischungstemperaturen ein. Weil die Wärmekapazität von
Wasser bekannt ist, lassen sich aus der Anfangstemperatur des
Wassers, der Materialien und der Mischungstemperatur die
Wärmekapazitäten der Materialien berechnen. Damit sich die
Mischungstemperatur schnell einstellt, sollten die untersuchten
Stoffe eine große Oberfläche aufweisen.
Materialien
250 g kleine Porzellanbruchstücke, 250 g Eisenschrot (kleine
Eisennägel), Thermometer, Thermoskanne mit ca. 55°C heißem
Wasser, Styroporplatte, Kunststoffbecher mit Deckel („Joghurt
500g“), Meßzylinder, Stopuhr. Porzellan und Eisen besitzen
Raumtemperatur
Arbeitsanweisung
Der Kunststoffbecher auf der Styroporplatte wird mit 150 ml,
ca. 55°C heißem Wasser befüllt. In 1/2-Minuten-Schritten wird
die langsame Abkühlung des Wassers verfolgt.
Nach 3 Minuten wird zügig (aber ohne zu spritzen) Eisen zugegeben.
Der Becher wird geschwenkt (wichtig!). Wenn das Material
fein genug ist, kann auch mit dem Thermometer gerührt werden.
Die Temperaturmessung wird im 1/2-Minuten-Rythmus fortgesetzt
(Abweichung notieren). Der Versuch kann nach etwa 6 Minuten
abgebrochen werden.
Wiederhole den Versuch mit Porzellan.
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie schnell ein Stoff Wärmeenergie
aufnimmt. Dagegen ist die Wärmekapazität ein Maß für
die benötigte Menge an Wärmeenergie, die aufgebracht werden
muß, damit der Stoff eine bestimmte Temperatur erreicht.
Mit dem folgenden Versuch wollen wir die Wärmekapazitäten von
Eisen und Keramik grob ermitteln.
Zugabe von
Eisen oder
Porzellan
Zeit [Min.]
Temp. [°C]
Eisen
Temp [°C]
Porzellan
Aufgaben:
1. Warum produziert ein Auto in den ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase?
2. Was bedeuten die Begriffe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität?
3. Wie sollte das Trägermaterial in Bezug auf seine Wärmeleitfähigkeit und seine Wärmekapazität beschaffen sein, damit es für
eine Verwendung im Autokatalysator geeignet ist? Begründe deine Antwort.
4. Wie kann man anhand der Ergebnisse aus dem Joghurtbecherversuch die „Wärmeleitfähigkeit“ eines Stoffes ermitteln ?
Begründe deine Anwort.
5. Wie unterscheiden sich nach deinen Untersuchungsergebnissen Eisen und Porzellan in ihrer Wärmekapazität?
6. Welcher der beiden untersuchten Stoffe ist demnach besser als Trägermaterial in Autokatalysatoren geeignet?
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0