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Wie funktioniert ein selbst kühlendes Bierfass?

Im Sommer am See, auf der Grillparty oder am Festivalgelände ohne Strom ein kühles Bier genießen zu können ist nicht immer einfach. Selbst kühlende Bierfässer sind hierfür perfekt geeignet. Man muss nur einen Hebel umlegen und das Bier ist innerhalb weniger Minuten auf Kühlschranktemperatur. Aber wie funktioniert das, so ganz ohne Strom?

In der Technik eines selbst kühlenden Bierfasses werden rein physikalische Effekte ausgenutzt. Nämlich zum Einen die Verdunstung von Wasser und zum Anderen die Adsorption von Wasserdampf auf einer hydrophilen, also Wasser anziehenden Oberfläche. Wie ist nun so ein Bierfass aufgebaut? Ganz innen liegt natürlich der Behälter für das Bier. Direkt um diesen Behälter befindet sich eine Schicht mit einem Material, das Wasser aufsaugen kann. Das kann zum Beispiel eine Art Fließ oder Watte sein. In der nächsten Schicht befindet sich ein so genannter Zeolith. Das ist ein in der Natur vorkommendes, poröses Material mit sehr kleinen Poren. Dieses Zeolith Material hat auf Grund der feinen Poren eine sehr große Oberfläche. Außerdem ist es hydrophil. Das bedeutet, dass Wasser(dampf) stark dazu tendiert sich auf der Oberfläche des Zeolithen anzulagern – man spricht dabei von adsorbieren. Die Kammern mit nasser Watte und Zeolith sind abgetrennt und können über ein Ventil miteinander verbunden werden. Außerdem wird die Zeolith-Kammer so gut es geht evakuiert, so dass ein Vakuum vorliegt. Auch aus der Kammer mit der nassen Watte wird die Luft gesaugt, allerdings nur so weit, dass das Wasser gerade so noch flüssig bleibt. Bei zu geringem Druck würde das Wasser schon verdampfen bevor man das Ventil öffnet.

In diesem Zustand wird die innerste Kammer des Fasses mit Bier gefüllt und verschlossen. Ab diesem Zeitpunkt kann jederzeit der Hebel am Fass umgelegt werden, der das Ventil zwischen den evakuierten Kammern öffnet. Wenn das geschieht, findet ein Druckausgleich statt, da in der Watte-Kammer ja noch ein Restdruck gelassen wurde. Dieser sinkt jetzt noch weiter und das Wasser in der Watte fängt an zu verdampfen. Das Verdampfen benötigt aber Energie. Diese Energie wird dem Bier entzogen, welches dadurch abgekühlt wird. So weit so gut doch in einer geschlossenen Kammer verdampft nur ein geringer Teil des Wassers. Nämlich so lange, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf eingestellt hat. Jetzt kommt der Zeolith ins Spiel. Durch die Adsorption des verdampften Wassers auf dessen Oberfläche sorgt der nämlich dafür, dass sich eben kein Gleichgewicht einstellt, sondern der entstehende Wasserdampf sofort „abgezogen“ wird.  Der Verdampfungsprozess kann somit weiter laufen und das Bier wird weiter gekühlt.

Dem Wasser in der Watte wird durch die Verdampfung so viel Wärme entzogen, dass es relativ schnell sogar gefriert. Ab diesem Zeitpunkt verlangsamt sich die Verdampfung. Das Bier wird aber trotzdem weiter gekühlt, da die Wärme aus dem Bier jetzt auch noch dafür benötigt wird um das gefrorene Wasser erst einmal zu schmelzen. Dadurch hält der Kühlvorgang über mehrere Stunden an und es kann lange kaltes Bier genossen werden.

Während der Adsorption des Wassers wird die aus dem Bier gezogene Wärme übrigens wieder freigesetzt und über die Fasswand nach außen abgegeben. Das Fass fühlt sich daher von außen warm an, wird innen aber gekühlt. Bei der nächsten Grillparty weißt du jetzt also auch warum das Bier durch das Umlegen eines Hebels gekühlt werden kann.

 

Quellen:

http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Selbstk%FChlendes_Bierfass.html

http://www.tucher.de/unsere-biere/unser-sortiment/unser-coolkeg/

Warum kühlt ein Ventilator?

So langsam werden die Tage wieder wärmer und der Ein oder Andere macht sich schon wieder Sorgen im Sommer in einem heißen Raum zu sitzen ohne sich zwischendurch abkühlen zu können. Ein einfacher Ventilator kommt da oft gelegen um sich etwas kühle Luft zuwehen zu lassen. Aber warum kühlt ein Ventilator überhaupt? Schließlich enthält er keinerlei tatsächlich kühlende Komponenten.

In der Tat ändert ein Ventilator erst einmal rein gar nichts an der Temperatur der Luft, die sich beispielsweise in einem Raum befindet. Er bringt sie lediglich in Bewegung. Diese Bewegung führt zu einem schnelleren Luftaustausch an der Stelle, wo der Ventilator hin bläst – zum Beispiel unsere Haut. Ist die Umgebungsluft kühler als unsere Haut, so wird durch den Luftaustausch der kühlende Effekt der Luft verstärkt. Die von der Haut aufgewärmte Luft wird weggeblasen und neue kühle Luft kann zur Haut hin gelangen. Ist die Umgebungsluft allerdings schon wärmer als die Hauttemperatur, so fällt dieser Effekt weg. Ein Ventilator ist trotzdem noch in der Lage eine kühlende Wirkung hervorzurufen, aber wie geht das?

Der Luftaustausch hat auch noch einen anderen Effekt. Wenn wir schwitzen verdunstet der Schweiß auf der Haut. Für diese Verdunstung wird Energie benötigt. Diese Energie zieht der Schweiß in Form von Wärme aus der Haut. Das Resultat ist, die Haut kühlt sich ab. Schweiß verdunstet aber nur solange die Luft direkt in Hautnähe nicht zu feucht ist. Sie kann nämlich nur eine gewisse Menge an Feuchtigkeit (hier verdunstender Schweiß) aufnehmen. Durch den Luftaustausch wird immer frische, trockenere Luft zur Haut hin transportiert. Das heißt durch den Ventilator wird der natürliche Kühlmechanismus des Menschen verstärkt. Somit kann dieser auch bei Temperaturen oberhalb unserer Hauttemperatur für eine angenehme Kühlung sorgen.

Natürlich funktioniert das Ganze nur bis zu einer bestimmten Lufttemperatur. Wer in einer Sauna schon einmal einem Luftzug ausgesetzt war, zum Beispiel durch ein wedelndes Handtuch, der weiß, dass der Effekt hier umgekehrt wird und der Luftaustausch hier eine erhitzende Wirkung hat. Zu viele Ventilatoren im Dauerbetrieb sind übrigens auch nicht gut, da der Motor eines Ventilators Wärme abgibt und somit die Raumluft sogar aufwärmen kann. Sobald man die Ventilatoren dann ausschaltet ist es wärmer also vorher ohne Ventilatoren.

Warum macht Wind alles kälter?

Die Temperaturen pendeln gerade wieder um den Gefrierpunkt. Die Nächte sind teils bitter kalt, die Sonne gewinnt allerdings schon wieder an Stärke wenn sie mal raus kommt. Einen großen Einfluss auf das Wetter und die Temperaturen im Winter hat aber auch noch ein anderes Naturphänomen: Der Wind.

Wenn wir im Winter nach draußen gehen und uns entscheiden müssen welche Jacke, Mütze oder Handschuhe wir anziehen, schauen wir als erstes auf das Thermometer. Oft merkt man draußen dann aber, dass es doch kälter ist als gedacht. Ein leichter Wind kann unser Temperaturempfinden stark beeinflussen. Auf vielen Wetterportalen wird daher mittlerweile neben der Lufttemperatur auch noch eine gefühlte Temperatur angegeben. Hier wird unter anderem der Effekt, den der Wind auf uns hat mit einberechnet. Wenn wir nach draußen gehen bilden wir nämlich durch unsere deutlich höhere Körpertemperatur eine Art wärmere Schutzschicht um uns herum aus. Die Luft in direkter Körpernähe wird erwärmt und hält damit die kältere Luft drum herum davon ab uns noch weiter abzukühlen. Kleidung versucht möglichst viel dieser warmen Luft am Körper zu halten. Wind hingegen bewirkt genau das Gegenteil. Er bläst die körpernahe, wärmere Luft von uns weg, so dass neue kalte Luft an den Körper gelangen kann. Das Resultat ist, dass es uns kälter vorkommt, wenn es zu niedrigen Temperaturen auch noch windig ist. Diesen Effekt nennt man übrigens auch „Windchill-Effekt“

Gleiches gilt natürlich auch für den Sommer und warme Lufttemperaturen. Im Sommer wird die kühlende Wirkung des Windes bei sehr heißen Temperaturen allerdings oft als angenehm empfunden.

 

Quellen:

https://www.watson.ch/Wissen/Winter/839421571-Fuer-alle–die-heute-schon-draussen-waren–oder-es-noch-vor-haben—10-eiskalte-Kaeltefakten

Wie funktioniert Sonnencreme?

So langsam macht sich doch der Sommer und vor allem die Sonne bei uns breit. Die Tage werden immer wärmer und die Sonne immer intensiver. Um sich trotzdem in die Sonne legen zu können greifen wir zur Sonnencreme um nicht am nächsten Tag mit einem ordentlichen Sonnenbrand aufzuwachen. Aber wie funktioniert eigentlich eine Sonnencreme? Wie kann sie uns vor der gefährlichen Strahlung der Sonne schützen?

Die Meisten wissen, dass die UV-Strahlung der Sonne diejenige ist, die Sonnenbrand und andere Hautschäden verursacht und dass Sonnencremes über einen UV-Schutz verfügen. Vielleicht hast du dich ja auch schon einmal gefragt, wie dieser UV-Schutz eigentlich funktioniert.

Es gibt zwei Mechanismen, die in Sonnencremes verwendet werden, um uns vor UV-Strahlung zu schützen. Einen physikalischen Effekt und einen chemischen. Für den physikalischen Effekt werden der Sonnencreme sehr kleine Teilchen aus Metalloxiden wie Titanoxid oder Zinkoxid zugegeben. Diese Teilchen, die beim Einschmieren auf der Hautoberfläche haften bleiben, wirken wie winzige Spiegel. Die Spiegel reflektieren einen Großteil des auf die Haut fallenden UV-Lichts und sorgen dadurch dafür, dass die Strahlung gar nicht erst in die Haut eindringen kann. Für den chemischen Effekt werden der Creme synthetische Stoffe beigemischt, die nach dem auftragen in die Haut eindringen und dort einen Schutzfilm bilden. In diesem Schutzfilm wird die Strahlung nicht reflektiert, sondern unschädlich gemacht. Die UV-Strahlung wird von den Stoffen absorbiert und in für uns unschädliche Infrarotstrahlung, also Wärme, umgewandelt.

Die meisten Sonnencremes kombinieren beide Effekte um möglichst effizient zu wirken. Ein 100%iger Schutz vor UV-Strahlung ist aber nie gewährleistet. Unsere Haut hat aber ja auch noch einen eigenen Schutzmechanismus, nämlich die Hautbräune. Einen Artikel zum Thema „Warum werden wir von der Sonne braun“ findest du auf diesem Link. Dort ist auch der Unterschied zwischen UV-A und UV-B Strahlung beschrieben.

Wenn du dich jetzt das nächste Mal mit einer Sonnencreme einschmierst weißt du auch was diese bewirkt und vor allem wie sie es tut.

 

Quellen:

http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2013/0512/sonnenmilch.jsp

http://www.pflichtlektuere.com/26/07/2013/wissenswert-so-funktioniert-sonnencreme/

https://www.welt.de/wissenschaft/article108370049/So-funktioniert-die-Chemie-der-Sonnencreme.html

Warum fliegt ein angeschnittener Ball eine Kurve? (Magnus-Effekt)

Jeder, der eine Ballsportart selber betreibt oder sportbegeisterter Zuschauer ist hat folgendes schon einmal gesehen: Ein rotierender Ball fliegt in der Luft eine Kurve. Für viele aktive Sportler ist das selbstverständlich aber warum fliegt der Ball eigentlich eine Kurve?

Grund hierfür ist der sogenannte Magnus Effekt, benannt nach dem Wissenschaftler, der den Effekt als Erster physikalisch beschrieben hat. Zunächst betrachten wir mal die Luft direkt an der Oberfläche eines rotierenden Balls. Diese Luft wird durch die Rotation und die dadurch entstehende Reibung in Bewegung versetzt. Der Ball reißt quasi eine kleine Luftschicht mit seiner Kreisbewegung mit. Wenn sich der Ball nun durch die Luft bewegt, wie er das zum Beispiel bei einem Freistoß beim Fußball tut, dann wird er zusätzlich gegen seine Flugrichtung mit Luft umströmt. Diese Luft tritt wiederum in Interaktion mit der dünnen Luftschicht, die von der Rotation des Balls mitgerissen wird. Auf der einen Seite strömt die Umgebungsluft und die dünne Luftschicht in die gleiche Richtung. Auf der anderen Seite allerdings genau entgegengesetzt. Die Folge ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit auf der einen Seite erhöht, auf der Anderen aber reduziert wird. Bei strömenden Gasen (und Flüssigkeiten) gilt jetzt folgendes: Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto geringer der Druck an dieser Stelle. Das hat irgendwann ein gewisser Daniel Bernoulli festgestellt und in der sehr bekannten und allgemein gültigen Bernoulli-Gleichung festgehalten. Für den rotierenden Ball bedeutet das, dass auf der einen Seite eine höherer Druck herrscht als auf der Anderen. Die Folge ist, dass der Ball eine Kraft in Richtung des geringeren Drucks erfährt und zur Seite gedrückt wird. Da dies während der ganzen Flugphase des Balls der Fall ist, fliegt dieser eine Kurve. Wie stark der Ball abgelenkt wird hängt vor allem von der Rotationsgeschwindigkeit ab.

In vielen Ballsportarten wird dieser Effekt oft ausgenutzt und jetzt weißt du auch warum er auftritt und sogar wie er heißt.

Ein sehr cooles Video demonstriert diesen Effekt mit einem Basketball, der mit und ohne Spin von einem Staudamm geworfen wird. Schaut´s euch mal an:

 

Quellen:

http://www.wissen.de/raetsel/warum-fliegt-der-eckball-eine-kurve

https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3773

Das Phänomen der sich rückwärts drehenden Räder

Da ich bereits mehrere Anfragen erhalten habe einen Artikel darüber zu schreiben, warum sich Räder von Autos, Kutschen etc. in Filmen oft rückwärts drehen, werde ich dieses Phänomen hier einmal erklären.

Zunächst muss man wissen, dass Filme eigentlich aus aneinandergereihten Einzelbildern bestehen. Etwa 25 Bilder pro Sekunde. Da unser Auge und unser Gehirn nicht in der Lage sind die Bilder einzeln zu erkennen, werden sie von uns als fortlaufender Film wahrgenommen. Das Gehirn ist in der Lage, die „Lücken“ zwischen den Bildern mit logischem Inhalt zu füllen, so dass wir dann einen zusammenhängende Film sehen. Trotzdem sind es immer noch einzelne Bilder.

Nun stellen wir uns mal den Wechsel von einem zum nächsten Bild vor. Im ersten Bild ist ein Rad mit Speichen zu sehen (z.B. von einer Kutsche). Die Speichen, die sich beim Fahren der Kutsche im Kreis bewegen, sind auf diesem Bild in einer bestimmten Stellung. Im nächsten Bild, das eine fünfundzwanzigstel Sekunde später aufgenommen wurde, hat sich das Rad weiter gedreht und die Speichen sind nun in einer anderen Stellung. Jetzt gibt es drei Möglichkeiten:

  1. Das Rad dreht sich relativ langsam. Jede Speiche ist also auf dem nächsten Bild nur ein wenig weiter gedreht. In diesem Fall erkennt das Gehirn die korrekte vorwärtslaufende Kreisbewegung des Rades.
  2. Das Rad dreht sich so schnell, dass die nächste Speiche im zweiten Bild nun an derselben Stelle steht, wie die andere Speiche im ersten Bild. In diesem Fall nimmt das Gehirn gar keine Veränderung war und es sieht so aus als würde das Rad sich überhaupt nicht drehen.
  3. Bei etwas geringerer Geschwindigkeit als in 2. ist die nächste Speiche im zweiten Bild soweit gedreht, dass die kurz vor der Stelle steht, an der die andere Speiche im ersten Bild stand. Das Gehirn verbindet nun die beiden Bilder zu einer fließenden Bewegung, die uns dann aber sehen lässt, dass das Rad sich rückwärts dreht, obwohl die Kutsche vorwärts fährt.

Es kommt also auf die Geschwindigkeit an, mit der das Rad einer Kutsche oder eines Autos sich dreht. Wenn ein Auto in einem Film beschleunigt und die Reifen dabei zu sehen sind, wird es so aussehen als würden sich die Räder erst einmal immer schneller drehen, bis der oben erklärte Effekt eintritt. Ab diesem Zeitpunkt scheint das Rad sich rückwärts zu drehen und mit weiterer Beschleunigung langsamer zu werden, bis es komplett stehen bleibt. Das Gleiche wiederholt sich bei weiter steigender Geschwindigkeit.

Das gleiche Phänomen kann übrigens auch auftreten, wenn ein Auto hinter einem Zaun entlangfährt. Die Zaunbalken, die die Sicht auf das Auto verdecken erzeugen auch den Effekt der einzelnen Bilder. Diese entstehen nämlich dann, wenn der Blick zwischen den Zaunbalken durch fällt und der Autoreifen zu sehen ist.

Im Zusammenhang mit Filmen nennt man diesen Effekt „Wagenradeffekt“ oder „Speichenradeffekt„. Der allgemeine Begriff lauten „Stroboskopeffekt„.