Phasenwechselmaterialien: Effiziente Wärmeenergiespeicher durch Phasenwechselprozesse, ideal für Gebäudetechnik, Medizintechnik und Kühlkettenlogistik.
Wie ein Phasenwechselmaterial Wärme aufnimmt
Phasenwechselmaterialien (englisch: Phase Change Materials, kurz PCM) spielen in der Thermotechnik eine bedeutende Rolle, insbesondere bei der Speicherung und Freisetzung von Wärmeenergie. Sie nutzen den sogenannten Phasenwechsel, um Wärme effizient zu speichern und abzugeben.
Was sind Phasenwechselmaterialien?
Phasenwechselmaterialien sind Stoffe, die bei einer bestimmten Temperatur zwischen verschiedenen Aggregatzuständen – fest, flüssig oder gasförmig – wechseln können. Der gängigste und am häufigsten verwendete Phasenwechsel in der Wärmespeicherung ist der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand und umgekehrt.
Das Prinzip des Phasenwechsels
Der Phasenwechselprozess basiert auf der Aufnahme oder Abgabe von latenter Wärme. Diese latente Wärme ist die Energie, die erforderlich ist, um den Zustand des Materials zu ändern, ohne dass sich seine Temperatur ändert. Beim Erhitzen eines Phasenwechselmaterials nimmt es Wärme auf und schmilzt bei einer bestimmten Temperatur. Beim Abkühlen gibt das Material die gespeicherte Wärme ab und verfestigt sich wieder.
Wie funktioniert die Wärmeaufnahme?
Die Aufnahme von Wärme durch ein Phasenwechselmaterial erfolgt in zwei Hauptschritten:
- Erhöhung der Temperatur: Wenn das Material unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt wird, erhöht sich seine Temperatur kontinuierlich. In diesem Bereich verhält sich das Material wie ein gewöhnlicher Feststoff.
- Phasenwechsel: Sobald die Schmelztemperatur erreicht ist, beginnt das Material zu schmelzen. Während dieses Phasenwechsels bleibt die Temperatur des Materials konstant, und die hinzugefügte Wärme wird als latente Wärme gespeichert.
Die Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität \(c\) eines Materials gibt an, wie viel Wärmeenergie erforderlich ist, um die Temperatur eines Kilogramms des Materials um ein Grad Celsius zu erhöhen. Beim Phasenwechsel kommt die latente Wärmekapazität hinzu, die die Energie beschreibt, die nötig ist, um den Phasenwechsel zu vollziehen, ohne die Temperatur zu verändern.
Formel zur Berechnung der aufgenommenen Wärme
Die gesamte aufgenommene Wärme \(Q\) kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:
$$ Q = m \cdot c \cdot \Delta T + m \cdot L $$
- \(m\) = Masse des Materials (in kg)
- \(c\) = spezifische Wärmekapazität (in J/(kg\cdot K))
- \(\Delta T\) = Temperaturänderung (in K oder °C)
- \(L\) = latente Wärme (in J/kg)
Anwendungsbereiche von Phasenwechselmaterialien
Phasenwechselmaterialien werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Einige Beispiele sind:
- Gebäudeheizung und -kühlung: Verwendung in Baustoffen zur Temperierung von Gebäuden.
- Medizinische Anwendungen: Temperaturkontrolle in Verpackungen für empfindliche Medikamente.
- Kühlkettenlogistik: Transport und Lagerung von Lebensmittelprodukten.
Zusammenfassung
Phasenwechselmaterialien bieten eine effiziente Möglichkeit zur Speicherung und Freisetzung von Wärmeenergie durch Nutzung der latenten Wärme bei Phasenwechseln. Dies macht sie zu einer wertvollen Ressource in vielen Bereichen der Thermotechnik, von der Gebäudetechnik bis hin zur medizinischen Kühlung.
