Getränke kühlt man mit Eiswürfeln. Aber warum kühlen diese effektiver als eiskaltes Wasser? Dafür gibt es einen physikalischen Grund, die Schmelzenergie. In sommerliche Getränke, Bowlen und Cocktails gehören Eiswürfeln, denn nichts kühlt besser. Aber wieso kühlt eigentlich ein Eiswürfel ein Getränk im Sommer so prima?
Eine dumme Frage? Keineswegs, denn es liegt nicht etwa daran, dass der Würfel kalt ist. Dieser Effekt ist nämlich nur minimal, man könnte genauso gut sehr kaltes Wasser zum Kühlen benutzen. Aber die Erfahrung zeigt: Wer an einem drückend heißen Sommertag nach einer Erfrischung lechzt, ist mit einem Getränk mit Eiswürfeln gut beraten, denn schon eine relativ geringe Menge Eis hat eine beträchtliche Kühlwirkung.
Eiswürfel kühlen wirkungsvoll – eigene Experimente
Der Kühlwirkung von Eis kann man mit Mischexperimenten auf die Spur kommen. Mischt man Wasser von 20 °C mit der gleichen Menge Wasser von 40 °C, so hat die Mischung eine Temperatur von 30 °C. Das versteht sich fast von selbst.
Für den Eisversuch benötigen Sie eine Thermosflasche oder ein Dewar-Gefäß, Wasser, Eiswürfel und natürlich ein Thermometer. Nun füllen Sie in die Thermosflasche 100 ml Wasser und messen die genaue Temperatur. Dann zerkleinert man einige Eiswürfel, damit der Schmelzvorgang schneller geht. Dies geht am besten in einem Tuch oder einem festen Plastikbeutel mit einem Gummihammer. Die Menge muss zunächst nicht gemessen werden, das erledigt man nach dem Versuch.
Nun die möglichst trockenen (Vorsicht: Verfälschung der Messung durch Eiswasser) Eisstückchen in die Flasche dazufüllen, schütteln, verschließen und … warten, bis das letzte Eisstückchen geschmolzen ist. Dann messen Sie die Temperatur des gekühlten Getränkes und bestimmen mit einem Messzylinder das Gesamtvolumen. So lässt sich leicht die Masse des zugegebenen Eises festlegen.
Erstaunt, wie gut so ein bisschen Eis kühlt? Als typischen Wert kann man für 100 ml Wasser mit 20 °C und 20 g Eis eine Mischungstemperatur von knapp 5 °C messen. Mischt man dagegen 100 ml Wasser mit der gleichen Menge Wasser von 0 °C, lässt sich nur eine Temperatur von knapp 17 °C erreichen. Der Vorgang des Schmelzens hat also der Umgebung, in diesem Fall dem Getränk, ziemlich große Wärmemengen entzogen: eine Abkühlung von 20 °C auf immerhin knapp 5 °C.
Die Schmelzenergie ist überraschend groß
Schmelzen hat also eine negative Energiebilanz, das heißt, Eis muss seiner Umgebung eine ordentliche Portion Energie entziehen können, damit der Schmelzvorgang überhaupt vonstatten geht. In der Literatur wird diese Energie häufig (etwas widersprüchlich, denn man hat es ja mit Abkühlen zu tun) Schmelzwärme genannt. Der Begriff „Schmelzenergie“ ist also passender.
Vom ursprünglich ungekühlten Getränk wird Energie entzogen und für zwei Prozesse genutzt: Zum einen werden 20 g Eis geschmolzen und dann zusätzlich auf knapp 5 °C erwärmt. Der Literaturwert für die Schmelzenergie beträgt E = 336 kJ für 1 kg Eis (Einheit: Kilojoule; früher wurde die Energie in Kilokalorien gemessen, der angegebene Wert entspricht knapp 80 kcal). Man benötigt also etwas mehr als 300 kJ an Energie, um 1 kg Eis von 0 °C in 1 kg Wasser von 0 °C zu überführen. Zum Vergleich: Die gleiche Energie müssten Sie aufbringen, um 1 l Wasser von 0 °C auf eine Temperatur von 80 °C zu bringen oder um 1000 Tafeln Schokolade einen (kleinen) Berg von gut 300 Höhenmetern hoch zu tragen. Da kann man schon mal ins Schwitzen geraten.
Das Diagramm (Abb. 2) verdeutlicht noch einmal diesen Prozess. Anzumerken ist, dass während dieses Prozesses die Temperatur konstant bei 0 °C bleibt, der Temperaturhaltepunkt des Schmelzvorganges, der auch zur Nullpunkt-Eichung eines Thermometers genutzt werden kann. Die Temperatur des Wasser-Eis-Gemisches steigt nicht eher, bis das letzte Eisstück geschmolzen ist, denn während dieses Prozesses wird die Energie komplett für den Aufbruch des Eisgitters, also eine Arbeitsleistung gegen die Molekularkräfte des Festkörpers, benötigt.
Übrigens: Bei alkoholhaltigen Getränken funktioniert das Kühlen mit Eiswürfeln noch besser, denn die spezifische Wärme von Alkohol ist nur etwa halb so groß wie von Wasser. So lässt sich der Alkohol besser kühlen und weist zudem eine geringere Endtemperatur auf. So lässt sich nahezu reiner Alkohol mit Eiswürfeln sogar auf Temperaturen unter 0 °C bringen; die Schmelztemperatur von reinem Alkohol liegt nämlich bei -114,5 °C.
Wasser und Eis – die „Ausnahmestoffe“
Die Kühlwirkung von Eis beruht also vor allem auf der sehr großen Schmelzenergie, die das Eis benötigt, um in den flüssigen Zustand überzugehen, und die beim Schmelzen dem Getränk entzogen wird. Bei allen Änderungen von Aggregatzuständen findet ein beträchtlicher Energieumsatz statt, der sich in der Abgabe oder Aufnahme von Wärme äußert.
Aber auch hier bildet Wasser wieder eine Ausnahme, denn von (fast) allen Stoffen hat Eis die größte Schmelzwärme, ein entscheidender Faktor für Wärmehaushalt und Klima auf der Erde, da hier gewaltige Mengen an Energie umgesetzt werden. Die große Schmelzwärme ist auch der Grund, warum Schnee und Eis auf hohen Bergen auch im Sommer nicht restlos schmelzen. Denn die Luft ist in größeren Höhen meist so kalt, dass ihr nicht in ausreichendem Maße die zum Schmelzen notwendige Energie entzogen werden kann. Sie bildet eben kein so gutes Reservoir wie ein (flüssiges) Getränk. Im Winter macht sich die große Schmelzenergie auch in Form von kalten Füßen bemerkbar. Der Schnee entnimmt seine zum Schmelzen erforderliche Energie bei durchnässten Schuhen den Füßen, bei trockener Kälte bleiben die Füße länger warm. Diesen Vorgang hat sicher jeder von Ihnen schon beobachtet.
Eis wurde in früheren Jahren, als es noch keine anderen Kühlmöglichkeiten gab, im Winter in sogenannten Eiskellern (meist Felsenkeller) für den nächsten Sommer eingelagert und dienten Brauereien zum Kühlen von Bier. Die hohe Schmelzenergie sorgt dafür, dass diese nicht (unerwünscht und vorzeitig) schmolzen. Auch Tiefkühlkost benötigt bei Raumtemperatur relativ lange, um aufzutauen.
Natürlich wird beim Umkehrvorgang, dem Erstarren von Wasser zu Eis, auch Energie umgesetzt. Diese Erstarrungsenergie muss das Wasser z. B. an die umgebende Luft abgeben, damit es sich zu festem Eis zusammenschließen kann, ein Problem bei der Eisbildung. Denn tatsächlich hat Eis beim Gefrieren ein Problem: Kaum hat sich ein kleiner Kristall gebildet, löst sich ein Teil durch die frei werdende Energie weiterer Eiskristalle wieder auf. Die Erstarrungsenergie ist bei allen Stoffen wertgleich mit der Schmelzenergie.
Was knackt und knistert denn da?
Gute „Zuhörer“ werden feststellen, dass Eiswürfel geben beim Schmelzen in Getränken leise Geräusche von sich geben, es knackt und knister. Auch von Seeleuten wird berichtet, dass sie das Phänomen von schmelzenden Eisbergen kennen und es Eisberg-Sprudel genannt haben. Dieses Knacken kommt von der thermischen Beanspruchung. Außen sieht sich so ein Eiswürfel einem Getränk mit Temperaturen von etlichen Graden über Null gegenüber, aber tief innen sind es einige Grade unter Null. Dies erzeugt Spannung im Eis-Material. Das Knistern jedoch wird von winzigen Luftbläschen erzeugt, die beim Gefrieren des Eiswürfels unweigerlich im Eis eingeschlossen wurden (sieht man manchmal als milchige Bläschen) und beim Tauen nun an der Oberfläche zerplatzen. Erzeugt man glasklare Eiswürfeln aus abgekochtem Wasser (der Barkeeper-Trick!), enthalten diese so gut wie keine Bläschen. Hier vernimmt man nur das Spannungsknacken.