Die Chemie unter der Motorhaube – Cynthia Chubbuck

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/under-the-hood-the-chemistry-of-cars-cynthia-chubbuck

Zurzeit gibt es weltweit über eine Milliarde Autos, die die Menschen von A nach B transportieren. Aber Autos sind nicht nur ein Transportmittel, sondern an ihnen kann man auch etwas über Chemie lernen. Cynthia Chubbuck führt durch den vielschichtigen chemischen Prozess, der in Automotoren abläuft und der sie davon abhält, zu heiß oder zu kalt zu werden.

Lektion von Cynthia Chubbuck, Animation von FOX Animation Domination High-Def.

Es gibt heutzutage weltweit
eine Milliarde Autos,

die Menschen überallhin transportieren,

aber Autos sind nicht nur Transportmittel,

sondern auch ein gutes
Lehrbeispiel für Chemie.

Das Starten eines Autos beginnt
mit den Zylindern im Motor,

wobei ein Spritzer Benzin
vom Einspritzventil

und etwas Luft aus dem Einlassventil

gemischt werden, bevor sie
von einem Funken entzündet werden,

Gase bilden, die sich ausdehnen
und den Kolben antreiben.

Aber die Verbrennung
ist eine exotherme Reaktion,

d. h. Wärme wird freigesetzt.

Sehr viel Wärme.

Ein Großteil dieser Wärme
entweicht durch das Auspuffrohr.

Die im Motorblock
verbleibende Wärme hingegen

muss absorbiert, transportiert
und beseitigt werden,

um die Metallbestandteile vor Verformung
oder sogar Schmelzung zu schützen.

Dafür ist das Kühlsystem da.

Eine Flüssigkeit wird
durch den Motor geleitet.

Aber welche Art Flüssigkeit
kann all diese Wärme absorbieren?

Wasser liegt als erste Wahl auf der Hand.

Seine spezifische Wärme --

die erforderliche Energie
zur Erhöhung der Temperatur

einer bestimmten Menge um 1°C --

ist höher als die anderer
gebräuchlicher Substanzen.

Beim Auto muss viel
Wärmeenergie absorbiert werden.

Aber Wasser kann auch
große Probleme verursachen.

Denn zum einen liegt
der Gefrierpunkt von Wasser bei 0°C.

Da gefrierendes Wasser sich ausdehnt,

kann es in einer kalten Winternacht
zu einem kaputten Kühler

und einem beschädigten Motorblock kommen.

Also schlechte Aussichten.

Automotoren können so heiß werden,

dass der relativ
niedrige Siedepunkt von 100°C

dazu führt, dass so ziemlich
jeder Motor dampft.

Statt Wasser verwenden
wir also eine Lösung,

ein homogenes Gemisch aus einer
gelösten Substanz und einem Lösemittel.

Die Eigenschaften dieser Lösung variieren

je nach Anteil der gelösten Substanz.

Diese "kolligativen Eigenschaften"
schließen, wie es der Zufall will,

niedrigere Gefrierpunkte
und höhere Siedepunkte mit ein.

Lösungen haben
einen niedrigeren Gefrierpunkt

und einen höheren Siedepunkt
als ein reines Lösemittel.

Je mehr gelöste Substanz sie enthält,
desto größer ist die Differenz.

Aber warum verändern sich
diese Eigenschaften?

Temperatur misst

die durchschnittliche
Bewegungsenergie der Teilchen.

Je kälter die Flüssigkeit,
desto weniger Energie,

desto langsamer
bewegen sich die Moleküle.

Wenn eine Flüssigkeit gefriert,
verlangsamen sich die Moleküle,

sodass die Anziehungskräfte
aufeinander wirken können,

und sich Kristallstrukturen bilden.

Aber die Teilchen des gelösten Stoffes

kommen diesen Anziehungskräften
in die Quere,

sodass sie erst bei noch
tieferen Temperaturen

Anordnungen bilden.

Wenn eine Flüssigkeit siedet,

erzeugt sie mit Dampf gefüllte Blasen,

aber damit sich eine Blase bilden kann,
muss der Dampfdruck so stark

wie der Luftdruck sein, der auf
die Flüssigkeitsoberfläche wirkt.

Wenn die Flüssigkeit erhitzt wird,
steigt der Dampfdruck.

Ist er so hoch wie der Luftdruck,

bilden sich Blasen
und die Flüssigkeit siedet.

Der Dampfdruck einer Lösung ist niedriger
als der des reinen Lösemittels,

also muss sie auf eine
noch höhere Temperatur erhitzt werden,

bevor sie den Wert
des Luftdrucks erreicht.

Als weiterer Vorteil wird
der Druck im Kühler

über dem Luftdruck gehalten,

wodurch der Siedepunkt
um weitere 25°C ansteigt.

Die am häufigsten verwendete Lösung
für das Kühlsystem

ist ein 50:50-Gemisch
aus Ethylenglykol und Wasser,

das bei -37°C gefriert
und bei 106°C siedet.

Bei dem am meisten
empfohlenen Verhältnis von 70:30

ist der Gefrierpunkt
noch niedriger, bei -55°C,

und der Siedepunkt steigt auf 113°C.

Je mehr Ethylenglykol man hinzufügt,

desto mehr Schutz besteht also.
Warum also nicht noch mehr davon?

Das wäre dann doch wieder
zu viel des Guten,

weil bei höheren Anteilen

der Gefrierpunkt sogar wieder ansteigt.

Die Eigenschaften der Lösung nähern
sich denen von Ethylenglykol,

das bei -12,9°C gefriert,

also bei einer höheren Temperatur
als die Lösung.

Die Lösung wird durch den Motor geleitet
und absorbiert dabei die Wärme.

Erreicht sie den Kühler,
wird sie von einem Gebläse

sowie der Luft, die durch
den Motor braust, gekühlt,

bevor sie zum
heißen Motorraum zurückkehrt.

Ein effektives
und sicheres Motorkühlmittel

muss eine hohe spezifische Wärme,

einen niedrigen Gefrierpunkt
und einen hohen Siedepunkt haben.

Aber anstatt weltweit
nach der perfekten Flüssigkeit

zur Lösung unseres Problems zu suchen,

können wir unsere
eigene Lösung entwickeln.