Heizwert berechnen einfach erklärt: Formel & Versuch

Stell dir vor, du bist auf einem Campingausflug und möchtest dir schnell eine warme Suppe kochen. Welchen Brennstoff nimmst du für deinen Campingkocher? Einen riesigen Berg Holz oder eine kleine Flasche Bioethanol?

Nicht jeder Brennstoff liefert gleich viel Wärme. Manche Stoffe haben in einer sehr kleinen Menge extrem viel „Power“ gespeichert, andere weniger. In diesem Artikel lernst du, wie Chemiker genau messen, wie viel Energie in einem Brennstoff steckt, und wie du den sogenannten Heizwert berechnen kannst.

Vorwissen

• Masse ($m$): Gibt an, wie schwer etwas ist. Sie wird meist in Gramm (g) gemessen. Beispiel: Eine Tasse Wasser hat eine Masse von $200 \text{ g}$.

• Temperaturdifferenz ($\Delta\vartheta$): Der Unterschied zwischen einer Endtemperatur und einer Anfangstemperatur. Wichtig: Ein Unterschied von $1 \text{ }^\circ\text{C}$ ist genau dasselbe wie ein Unterschied von $1 \text{ K}$ (Kelvin). Beispiel: Wenn Wasser von $20 \text{ }^\circ\text{C}$ auf $30 \text{ }^\circ\text{C}$ erwärmt wird, ist die Temperaturdifferenz $\Delta\vartheta = 10 \text{ K}$.

Aufgabentyp 1: Heizwert messen und berechnen

Der Heizwert ($H_i$) ist eine Art „Zeugnis“ für einen Brennstoff. Er sagt uns ganz genau, wie viel thermische Energie (Wärme) freigesetzt wird, wenn wir genau ein Gramm dieses Stoffes verbrennen.

Um diese Energie zu messen, nutzen Chemiker einen cleveren Trick: Sie können die Hitze der Flamme nicht direkt messen, also lassen sie die Flamme einfach Wasser erwärmen. Wir wissen nämlich ganz genau, wie viel Energie Wasser braucht, um wärmer zu werden. Das nennt man die spezifische Wärmekapazität von Wasser ($c_W$). Sie beträgt immer $4,18 \text{ J}/(\text{g} \cdot \text{K})$.

Die Berechnung funktioniert in zwei Schritten:

Zuerst berechnen wir die Energie, die das Wasser aufgenommen hat. Dafür multiplizieren wir die Masse des Wassers ($\textcolor{#08BFFF}{m_W}$) mit der Wärmekapazität ($c_W$) und der Temperaturänderung ($\textcolor{#08BFFF}{\Delta\vartheta_w}$):

$Q = \textcolor{#08BFFF}{m_W} \cdot c_W \cdot \textcolor{#08BFFF}{\Delta\vartheta_w}$

Danach berechnen wir den Heizwert des Brennstoffs. Dafür teilen wir die Energie ($Q$) durch die Masse des verbrannten Brennstoffs ($\textcolor{#FF7D57}{m_B}$):

$H_i = -Q / \textcolor{#FF7D57}{m_B}$

Warum das Minuszeichen? Das Minuszeichen in der Chemie bedeutet einfach nur, dass der Brennstoff diese Energie an die Umgebung abgibt (er verliert sie, während das Wasser sie gewinnt).

Energie messen mit der Aluminiumdose

Zweck: Wir wollen messen, wie viel Energie bei der Verbrennung von Bioethanol freigesetzt wird.

Materialien: Spiritusbrenner gefüllt mit Bioethanol, leere Aluminiumdose, $100 \text{ g}$ Wasser, Thermometer, feuerfeste Unterlage, Stativ, Waage.

⚠️ Sicherheitshinweis: Bioethanol ist leicht entzündlich. Lange Haare zusammenbinden und eine Schutzbrille tragen. Der Versuch darf nur unter Aufsicht einer Lehrkraft durchgeführt werden. Die Aluminiumdose wird sehr heiß!

Durchführung:

1. Wiege den kompletten Spiritusbrenner mit dem Bioethanol auf der Waage und notiere das Gewicht.
2. Fülle genau $100 \text{ g}$ Wasser in die Aluminiumdose und befestige sie am Stativ.
3. Miss die Anfangstemperatur des Wassers mit dem Thermometer.
4. Stelle den Brenner unter die Dose und zünde ihn an.

5. Lass die Flamme genau 5 Minuten brennen. Rühre das Wasser dabei vorsichtig mit dem Thermometer um.
6. Puste die Flamme aus und miss sofort die höchste Endtemperatur des Wassers.
7. Wiege den abgekühlten Spiritusbrenner erneut auf der Waage.

Beobachtung: Das Wasser in der Dose ist deutlich wärmer geworden. Die Waage zeigt am Ende an, dass der Spiritusbrenner nun leichter ist als vorher.

Erklärung: Die Masse, die der Brenner verloren hat, ist das Bioethanol, das verbrannt wurde. Die chemische Energie aus diesem verbrannten Bioethanol wurde in thermische Energie umgewandelt und hat das Wasser erwärmt.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Temperaturänderung berechnen: Ziehe die Anfangstemperatur von der Endtemperatur ab, um $\Delta\vartheta_w$ zu erhalten (in Kelvin).
2. Thermische Energie berechnen: Setze die Werte für das Wasser in die Formel ein: $Q = m_W \cdot c_W \cdot \Delta\vartheta_w$.
3. Verbrannte Masse bestimmen: Ziehe das Gewicht des Brenners nach dem Versuch vom Gewicht davor ab, um $m_B$ zu erhalten.
4. Heizwert berechnen: Teile die Energie durch die verbrannte Masse und setze ein Minuszeichen davor: $H_i = -Q / m_B$.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Der Heizwert gibt an, wie viel Energie bei der Verbrennung von einem Gramm eines Stoffes freigesetzt wird.
• Die aufgenommene Wärme des Wassers berechnet man mit: $Q = m_W \cdot c_W \cdot \Delta\vartheta_w$.
• Den Heizwert berechnet man mit: $H_i = -Q / m_B$.
• Das Minuszeichen beim Heizwert bedeutet, dass der Brennstoff Energie an die Umgebung abgibt.