Heizwert berechnen einfach erklärt: Formel & Beispiel

Hast du dich schon einmal gefragt, warum ein Auto mit einem vollen Tank Benzin weiter fährt als mit der gleichen Menge Holz oder Kohle? Wenn du den Heizwert berechnen möchtest, liegt das Geheimnis in der unsichtbaren Energie, die in den Stoffen gespeichert ist.

In der Chemie nennen wir diese gespeicherte Energie den Heizwert. Er verrät uns, wie viel Power wirklich in einem Kraftstoff wie Bioethanol (dem Zusatz in Super E10) steckt. In dieser Lektion lernst du, wie man diese unsichtbare Energie mit einem einfachen Experiment sichtbar macht, misst und berechnet.

Vorwissen

• Temperaturdifferenz ($\Delta \vartheta$): Der Unterschied zwischen der Endtemperatur und der Starttemperatur.

  Beispiel: Wenn Wasser von $20 ^\circ\text{C}$ auf $50 ^\circ\text{C}$ erhitzt wird, beträgt die Temperaturdifferenz $\Delta \vartheta = 30 ^\circ\text{C}$.

• Energieerhaltung: Energie verschwindet nicht, sie wird nur übertragen.

  Beispiel: Die Wärmeenergie, die ein brennendes Feuerzeug abgibt, ist (idealerweise) genau die gleiche Menge an Energie, die von der Luft oder dem Wasser darüber aufgenommen wird.

Aufgabentyp 1: Berechnung von thermischer Energie und Heizwert

Um herauszufinden, wie viel Energie in einem Brennstoff steckt, bedienen wir uns eines Tricks: Wir verbrennen den Stoff und nutzen die Hitze, um Wasser zu erwärmen. Da wir genau wissen, wie viel Energie nötig ist, um Wasser zu erhitzen, können wir rückwärts ausrechnen, wie viel Energie der Brennstoff geliefert hat.

Dafür berechnen wir zuerst die thermische Energie, die das Wasser aufnimmt. Die Formel dafür lautet:

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

• $\textcolor{#08BFFF}{Q}$ = Thermische Energie (in Joule, $\text{J}$)
• $m_W$ = Masse des Wassers (in Gramm, $\text{g}$)
• $c_W$ = Spezifische Wärmekapazität von Wasser (immer $4{,}18 \text{ J}/(\text{g} \cdot ^\circ\text{C})$)
• $\Delta \vartheta_W$ = Temperaturänderung des Wassers

Wenn wir wissen, wie viel Energie das Wasser geschluckt hat, können wir den Heizwert des Brennstoffs berechnen. Der Heizwert sagt uns, wie viel Energie pro Gramm des verbrannten Stoffes freigesetzt wird:

$\textcolor{#FF7D57}{H_i} = - \frac{\textcolor{#08BFFF}{Q}}{\textcolor{#9570FF}{m_B}}$

• $\textcolor{#FF7D57}{H_i}$ = Heizwert
• $\textcolor{#9570FF}{m_B}$ = Masse des verbrannten Brennstoffs

Das Minuszeichen in der Formel ist wichtig: Es bedeutet in der Chemie einfach nur, dass der Brennstoff diese Energie abgibt (verliert), während das Wasser sie aufnimmt.

Bestimmung des Heizwerts im Labor

Zweck: Messung der Temperaturänderung von Wasser, um den Heizwert eines flüssigen Brennstoffs (z. B. Bioethanol) zu bestimmen.

Materialien: Spiritusbrenner mit flüssigem Brennstoff, Digitalwaage, Aluminiumdose (Kalorimeter), $100 \text{ g}$ Wasser, Thermometer.

⚠️ Sicherheitshinweis: Brennstoffe sind leicht entzündlich. Schutzbrille tragen und Haare zusammenbinden. Die Aluminiumdose wird sehr heiß – Verbrennungsgefahr! Nur unter Aufsicht einer Lehrkraft durchführen.

Durchführung:

1. Fülle genau $100 \text{ g}$ Wasser in die Aluminiumdose und miss die Starttemperatur des Wassers mit dem Thermometer.
2. Stelle den Spiritusbrenner auf die Digitalwaage und notiere das Startgewicht.
3. Zünde den Brenner an und stelle ihn direkt unter die Aluminiumdose, um das Wasser zu erhitzen.

4. Puste die Flamme aus, sobald die Temperatur des Wassers um etwa $20 ^\circ\text{C}$ gestiegen ist. Notiere die genaue Endtemperatur.
5. Wiege den Spiritusbrenner erneut auf der Digitalwaage.

Beobachtung: Die Temperatur des Wassers steigt stetig an. Das Gewicht des Spiritusbrenners auf der Waage nimmt während des Brennens langsam ab.

Erklärung: Der Brennstoff verbrennt und gibt thermische Energie ab. Die Aluminiumdose leitet diese Wärme hervorragend an das Wasser weiter. Der Gewichtsverlust des Brenners entspricht exakt der Masse des verbrannten Brennstoffs.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Ziehe die Starttemperatur von der Endtemperatur des Wassers ab: $\Delta \vartheta_W = \vartheta_{\text{Ende}} - \vartheta_{\text{Start}}$.
2. Setze die Masse des Wassers ($m_W$), die Konstante ($4{,}18$) und die Temperaturänderung in die Formel ein: $Q = m_W \cdot c_W \cdot \Delta \vartheta_W$.
3. Ziehe das Endgewicht des Brenners vom Startgewicht ab, um herauszufinden, wie viel Gramm verbrannt sind ($\textcolor{#9570FF}{m_B}$).
4. Teile die Energie ($Q$) durch die verbrannte Masse ($\textcolor{#9570FF}{m_B}$) und setze ein Minuszeichen davor: $H_i = - \frac{Q}{m_B}$.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Die thermische Energie ($Q$) ist die Wärme, die das Wasser aufnimmt: $Q = m_W \cdot c_W \cdot \Delta \vartheta_W$.
• Der Heizwert ($H_i$) gibt an, wie viel Energie pro Gramm Brennstoff freigesetzt wird: $H_i = - \frac{Q}{m_B}$.
• Das Minuszeichen beim Heizwert zeigt an, dass der Brennstoff Energie an die Umgebung (das Wasser) abgibt.
• Die Masse des Brennstoffs ($m_B$) ermittelt man durch Wiegen des Brenners vor und nach dem Versuch.