und anschließend noch eine Betrachtung zum „Mpemba-Effekt“, der nicht nur afrikanischen Barkeepern Kopfzerbrechen bereitet, sondern auch in meinem Spezialgebiet störend herumgeistert.

 

1.)    Die WOTKA–Methode zur Ermittlung der Wärmekapazität von Substanzen

 

Während der Arbeit in der Entwicklungsfirma wurde ich als Chemiker ständig nach den thermischen Eigenschaften meiner Kreationen oder auch aller anderen PCM der Firma und der Konkurrenz gefragt. Dabei flogen mir meistens Auswertungsbögen renomierter Firmen und Institute um die Ohren, die sich in den seltensten Fällen mit der Praxis in Verbindung bringen ließen.

 

Nachdem mir also klar wurde, dass da eine Lücke in der Kalorimetrie besteht, machte ich mich ernsthaft daran und schuf mein WOTKA – Kalorimeter. (Ich vertrage selbst keinen Alkohol und stehe deshalb auch nicht im Verdacht, etwas anderes als die „wärmestrom-optimierte Temperaturkurvenanalyse“ erfunden zu haben.) Praktiker im PCM-Geschäft arbeiten zur Zeit fast nur noch damit, weil man hier sehr wirklichkeitsnahe Kapazitätsverläufe erhält. (Innerhalb der Gütegemeinschaft PCM werden die Geräte als „Mehrschichtkalorimeter“ oder „multi layer calorimeter“ bezeichnet.)

Das Verfahren beruht darauf, dass in einem Beutelchen mit etwa 100g PCM die Wärmeleifähigkeit des Materials mit berücksichtigt wird und in verschiedenen Schichten der Wärmedurchgang gemessen wird. Die Apparatur wird von einer befreundeten Firma hergestellt und wurde mit einer Auswertungssoftware ausgestattet. Der Anwender benötigt außer viel Sorgfalt und Geduld noch einen Klimaschrank zur Messung. Es ist zur Zeit das mit Abstand billigste und andererseits zumeist das genaueste Instrument auf diesem Gebiet. Die Lebensnähe des Verfahrens drückt sich schon in der Stoffmenge aus, denn herkömmlich werden im superteuren DSC-Verfahren 0,01 – 1g Stoff verwendet. In einem Institut in Bayern geht es um etwa 5 - 10g, wobei auch dort die inneren Temperaturgradienten nicht berücksichtigt werden. Das gemeine und eben besonders gemeine PCM ist aber an jeder Stelle seines Daseins einer anderen Temperatur ausgesetzt und verhält sich auch danach. Widerspenstig!

 

 2.) Und damit bin ich schon beim Mpemba-Effekt angelangt

 

Aus WIKIPEDIA zitiere ich hier den Fakt: Erasto Barthlomeo Mpemba (* 1950) ist ein tansanischer Wissenschaftler, der bereits in Schülertagen den nach ihm benannten Mpemba-Effekt wiederentdeckte, ein paradoxes Phänomen, bei dem heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser. 1963 entdeckte er das Phänomen bei der Zubereitung von Speiseeis. Die Korrektheit seiner Beobachtungen wurde experimentell nachgewiesen.  Während seines Studiums am College of African Wildlife Management nahe Moshi veröffentlichte er 1969 gemeinsam mit Dr. Denis G. Osborne eine Abhandlung über das Phänomen.

Nach meiner und der Erfahrung meiner Kollegen kommt der Effekt durch Wärmeübertragung per Konvektion gegen stationäre Wärmeleitfähigkeiten zustande. In einem (unbeantworteten) Brief an Herrn Yogeshwar, der dies als noch nicht gelöstes Problem der Physik 2012 in „Quarks und Co“ in den Raum gestellt hat, habe ich es an Hand eines Temperaturdiagrammes, ebenfalls aus WIKIPEDIA, erklärt:

Phase 1: Das Wasser ist noch weit über 0°C warm. Das heiße Wasser erfährt durch die kalte Umgebung eine größere Konvektion, bedingt durch die Dichteunterschiede zwischen warmen (=innen) und kalten Gebieten (außen) im Wasser. Zwischen 18,5°C und 8,5°C erfolgt der Wärmedurchgang etwa 1,4mal schneller beim heißen Wasser.

Phase 2: Das Einfrieren sieht noch schneller aus. Bei stärkerer Konvektion bildet sich keine gleichmäßige Eishülle und es gibt weiter eine gute Wärmeübertragung. Fehlt die Konvektion, bildet sich beim kalten Glas eine gleichmäßige äußere Eisschicht, die im Verhältnis dazu wie ein Isolator wirkt und die auf das innere Wasser wirksame Temperaturdifferenz absenkt.

 

Der gleiche Effekt stellt sich oft ein, wenn wir in der Firma Temperaturkurven aufnehmen. Da spukt uns der Mpemba-Effekt oft sehr gute Materialien vor, wo es sich leider um „Ausschuß“ handelt. Im nächsten Moment sind wir nahe dran, gute Produkte zu verwerfen, weil uns die Wärmeübertragung in nicht davor geschützten Kalorimetern den nächsten Streich spielt.

Und genau aus diesem Grund „musste“ ich damals dieses WOTKA-Verfahren erfinden, womit sich der Kreis zum Barkeeper (der ja dann auch Wissenschaftler wurde) schließt.