Wärmedämmung mit Pflanzen? - Lösungshinweise

Versuche

1. Versuch

In diesem Versuch wird die Trägheit eines Thermometers gemessen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass alle Messfühler träge sind. Als Vergleich kann der Lehrer die Temperatur elektrisch messen.

2. Versuch

Wärmeleitfähigkeit Lambda (Aluminium) = 221 W / (m * K)
Lambda (Glas) = 0,76 W / (m * K)
Man muss aber eventuell unterschiedliche Wandstärken der Becher beachten (siehe Aufgabe 3).

3. Versuch

Eine Hanfmatte (sog. "Thermo-Hanf") isoliert ähnlich gut wie Styropor. Die zweite Messung ist näher an der Praxis der Dämmung eines Hauses.

Abkühlung von Wasser durch eine Hanfisolation

Hanfisolation brennt in der Flamme.

Hanfisolation glüht etwas außerhalb der Flamme.

4. Versuch

Eine Hanfmatte brennt in der Flamme. Wenn man sie aber aus Flamme heraus nimmt, hört sie auf zu brennen. Styropor brennt dreimal so schnell ab, brennt etwas nach und es fallen brennende Tropfen herunter.

5. Versuch

Mit dem Pyrometer kann man die Oberflächentemperatur von Gegenständen messen. Auf diese Weise kann man den Temperaturgradienten in einer Wand oder in einer Glasscheibe messen.

Aufgaben

Aufgabe 1

Eine Hanfmatte ist leicht, riecht etwas und man kann sie recht leicht zusammen drücken. Das ist ein Nachteil, da v.a. die eingeschlossene Luft dämmt.

Aufgabe 2

	Wärmeleitfähigkeit λ (R):	spez. Wärmespeicherkapazität c:	Dichte
Glaswolle	ca. 0,04 W/(m·K)	ca. 900 J/(kg·K)	20-150 kg/m³
Steinwolle	ca. 0,04 W/(m·K)	ca. 850 J/(kg·K)	20-200 kg/m³
Celluloseflocken	ca. 0,04 W/(m·K)	ca. 2000 J/(kg·K)	30-80 kg/m³
Vakuumgedämmte Isolationspaneele	ca. 0,005 W/(m·K)
Polyurethan-Hartschaum	ca. 0,04 W/(m·K)	1500 J/(kg·K)	10-30 kg/m³
Hanf	ca. 0,04 W/(m·K)	1300 J/(kg·K)	20-25 kg/m³

Aufgabe 3

Beispielrechnung

Berechnung der abgegebenen thermischen Energie

100 g Wasser in einem Alumniumbecher (Radius 5 cm, Wasserstand 5 cm) isoliert durch eine 5 cm dicke Hanfmatte kühlen ab von 89 bis 79 °C in 10 Minuten. Also hat das Wasser Delta Thermische Energie = 4,19 kJ / (kg * K) * 0,1 kg * 10 K = 4,19 kJ.an die umgebende Luft durch die Wand des Aluminiumbechers und die Hanfisolierung hindurch abgegeben. Zimmertemperatur sei 24 °C. Als Temperaturdifferenz zwischen innen und außen wird die durchschnittliche Differenz angenommen: 84 °C - 24 °C = 60 K.

Berechnung der Wärmeleitfähigkeit

Wärmestrom = Thermische Energie / Zeit = Wärmeleitfähigkeit Lambda * A / l * Delta T
=> Lambda = ( Thermische Energie / ( Zeit * Delta T )) * l / A
Lambda = ( 4 190 J / ( 600 Sekunden * 60 K )) * 0,05 / (2 * pi * r * h + 2 * pi * r * r)
Lambda = 0,1164 * 0,05 / (0,00785 + 0,003925) W / (m * K)
Lambda = 0,00582 / 0,011775 W / (m * K) = 0,4943 W / (m * K)

Da die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums sehr viel höher ist als die der Hanfmatte, kann man ersteres vernachlässigen.

Hintergrundinformation

Zum Wärmedämmen nimmt man Stoffe mit großem Volumen und geringer Masse. Diese Stoffe haben viele luftgefüllte Hohlräume, die die thermische Energie sehr schlecht leiten. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Wärmedämmstoffen λ beträgt weniger als 0,1 Watt / (Meter * Grad Kelvin).

Glaswolle wird hergestellt aus Quarzsand, Soda und Kalkstein, wobei bis zwei Drittel Altglas verwendet wird. Glaswolle, die vor 1996 eingebaut wurde, gilt als krebsverdächtig. Seit 1998 darf man in Deutschland nur noch Mineralfaserdämmstoffe verwenden, die nicht krebsverdächtig sind. Die Beständigkeit der Fasern im menschlichen Körper entscheidet über die Gefährlichkeit, d.h. je schneller sie sich in der Lunge auflösen, desto geringer ist die Gefahr von Schäden. Die Halbwertszeit bei heutiger Glaswolle beträgt meist weniger als 3 Wochen, bei alten Glasfasern beträgt die Halbwertszeit bis über ein halbes Jahr. Im Vergleich dazu beträgt die Halbwertszeit von Asbest über 100 Jahre, wobei die Asbestfasern auch noch in ihrer Struktur extrem gefährlich sind.

Steinwolle wird hergestellt aus Basalt, Diabas, Feldspat, Dolomit, Sand, Kalkstein und Altglas. Steinwollefasern haben eine Halbwertszeit von 2 Monaten, alte Steinwollefasern von fast einem Jahr.

Celluloseflocken werden hergestellt aus Altpapier unter Zugabe von 12-20% Borsalzen. Sie werden in Hohlräume eingesprüht.

Vakuumgedämmte Isolationspaneele (VIP) werden aus mikroporöser Kieselsäure oder Polystyrol- bzw. Polyurethan-Hartschaum hergestellt. Unter Vakuum wird eine gasdichte Umhüllung aufgebracht.

Polystyrolhartschaum wird mit dem Treibmittel Pentan aufgeschäumt.

Hanfmatten werden zur Herabsetzung der Brennfähigkeit mit Borsalzen oder Soda und mit Polyesterstützfasern (sog. Bikofasern) zur Stabilität versetzt. Hanf hat als alte Kulturpflanze in Europa eine lange Tradition: Herstellung von Kleidung, Papier, Seilen und als Baustoff. Der Anbau war lange Zeit verboten. Hanf (Cannabis sativa) ist eine zweihäusige Pflanze mit Windbestäubung. Sie wird in Deutschland bis zu 4 m hoch. Seit 1996 ist der Anbau von THC(=Tetrahydrocannabinol)-armen Hanfsorten in Deutschland wieder erlaubt, aber meldepflichtig. Hanf ist wenig anfällig gegen Phytophagen. Hanf wird erst spät gesät und geerntet und ist dermaßen wüchsig, dass er alle anderen (Un-)Kräuter schnell überwuchert.