Hoch- und Tieftemperaturen

Die Temperatur T (in Kelvin) ist ein Maß für die (Bewegungs)Energie der Teilchen. Zwischen der Energie E_f pro Freiheitsgrad und der Temperatur gilt der Zusammenhang: E_f = 1/2 · k_B · T, wobei k_B die Boltzmannkonstante ist.

Ein ideales Gas verfügt über 3 Freiheitsgrade, nämlich die kinetische Energie in x-, y- und z-Richtung. Für die gesamte kinetische Energie E_kin gilt also beim idealen Gas: E_kin = 3/2 · k_B · T.

Doppelte Temperatur bedeutet doppelte kinetische Energie. Andererseits beträgt für T = 0 K (-273 °C) die kinetische Energie auch 0. Beim absoluten Temperaturnullpunkt gibt es also keine Bewegung mehr.

Mit einigen meiner Experimente habe ich versucht, eine möglichst tiefe bzw. hohe Temperatur zu erzielen. Zur Bestimmung der Temperatur(en) verwende ich folgendes Messgerät, welches bis zu 4 Temperatursensoren parallel auswerten kann:

Es deckt einen Messbereich von – 200°C bis 1370°C ab. Damit ist es bestens für meine Versuche geeignet.


Erzeugung möglichst tiefer Temperaturen

Tiefe Temperaturen lassen sich relativ einfach nur mit sog. Peltierelementen erzielen. Diese Peltierelemente nutzen den sog. Peltiereffekt, welcher die Umkehrung der sog. Thermospannung ist. Bringt man die Kontaktstellen zweier verschiedener, miteinander verbundener Metalldrähte auf unterschiedliche Temperatur, so kann man die sog. Thermospannung messen. Legt man umgekehrt eine elektrische Spannung an, so kühlt eine Kontaktstelle ab, während sich die andere erwärmt. Peltierelemente bestehen nun nicht nur aus einer Paarung, sondern aus der seriellen Verschaltung vieler solcher Metallpaare. Dadurch generiert man viele Kontaktstellen und dementsprechend größer ist auch die Kühl- bzw. Heizleistung.

Hier sind einige meiner Peltierelemente mit Typenbezeichnung und Betriebsdaten (Spannung und Stromstärke) zu sehen:

Ein Peltierelement kann aber nur dann auf einer Seite ausreichend kühlen, wenn die Wärme der heißen Seite ausreichend abgeführt wird. Daher verwende ich zur Kühlung der heißen Seite einen großen, leistungsstarken CPU-Kühler. Diese finden in PCs ihre Verwendung, um ausreichend Wärme vom Arbeitsprozessor abzuführen, damit dieser nicht überhitzt.

Konkret verwende ich das Modell Dark Rock Pro 3 von be quiet! Dieses kann bis zu 250W Wärmeleistung abführen. Ich habe ein solches Modell gebraucht um 40 Euro erwerben können.

Mit einem einzelnen Peltierelement (Typ 12708) konnte ich bereits Temperaturen von ca. – 20°C erzeugen. Um noch tiefere Temperaturen zu erzielen, verbaut man mehrere Peltierelemente übereinander. Dabei kühlt die obere, kalte Seite eines Peltierelements die untere, heiße Seite des darüber befindlichen Peltierelements.

Konkret verwendete ich folgende Peltierpyramide:

Damit die nächst untere Etage auch wirklich ausreichend Wärme abführen kann, werden die Peltierelemente nach unten hin immer leistungsstärker. Das oberste Peltierelement zur Erzielung der tiefsten Temperatur ist nur ein kleines und leistungsschwaches Element vom Typ 0703.

Die einzelnen Peltierelemente werden mit Wärmeleitkleber verbunden und zusätzlich die freien Stellen mit Moosgummi oder Styrodur thermisch isoliert. Dadurch kann eine noch tiefere Endtemperatur erzielt werden.

Zur Stromversorgung der Peltierelemente dient ein PC-Netzteil. PC-Netzteile liefern ja folgende Spannungen: +3.3V, +5V und +12V. Damit eignen sie sich sehr gut für den Betrieb (fast) aller Peltierelemente. Lediglich das oberste Peltierelement  wurde an einem regelbaren Labornetzteil betrieben.

Ergebnisse:

Die mit diesem Setup erzielte Tiefsttemperatur lag bei – 64 °C. Damit liegt man nicht mehr weit weg vom Sublimationspunkt von Co2 (Trockeneis) bei – 78.4 °C. Diesen konnte ich aber leider (noch) nicht erreichen.


Erzeugung möglichst hoher Temperaturen

Um möglichst hohe Temperaturen zu erzielen, gibt es verschiedene Methoden:

  • umgebauter Mikrowellentrafo mit nur 2-3 Sekundärwicklungen, um bei Kurzschlüssen über ein Metallstück sehr hohe Ströme und damit Temperaturen zu erzielen
  • Induktionsheizer
  • Fresnel-Linse und Ausnützung der Sonnenstrahlung
  • parabelförmiger Sonnenkollektor
  • Lichtbogen mit einem Neontrafo oder Mikrowellentrafo

Mein Induktionsheizer mit ZVS-Ansteuerung:

Die aus China bestellten Fresnel-Linsen:

Bei einem ersten, schnellen Versuch erzielte ich bereits Temperaturen im Brennpunkt von über 450°C.

Wenn man von einer Intensität der Sonnenstrahlung von rund 600 W/m² ausgeht, so beträgt die mit der 300 mm Fresnellinse aufgefangene Leistung rund 42 W. Diese wird aber bei einer Brennweite der Linse von f = 360 mm in einen Fleck mit der Fläche von nur 7.8 mm² gebündelt! Ähnliche Leistungsdichten erhält man zum Beispiel mit leistungsstarken Lasern.

Hier noch mein parabelförmiger Sonnenkollektor, mit dem sich vermutlich nicht so hohe Temperaturen erzielen lassen: