Wie kann man Eis am schnellsten schmelzen?

Die Challenge:

So schnell wie möglich 200ml Wasser aus einem Kilogramm Eis zu gewinnen. Ihr habt dafür verschiedenste Materialien zur Verfügung, wie zum Beispiel Ventilator, Salz, Metall und noch ganz viele andere Dinge. Manche Materialien sind vielleicht auch nur da, um für Verwirrung zu sorgen 😉 Dieser kniffligen Challenge mussten sich zwei Kandidatinnen in einem Duell der ersten Staffel Take Off stellen.

Eine Science Challenge, ebenso wie ein Experiment, ermöglicht einerseits Wissenschaft interaktiv und spannend zu behandeln, andererseits aber auch die wissenschaftliche Methode zu vermitteln.

Regeln:

• Das Team/die Person, die zuerst 200ml Wasser im Standzylinder hat, hat gewonnen.
• Alle Teams/Personen starten gemeinsam.
• Es dürfen keine Materialien verbrannt werden, die nicht dafür vorgesehen sind.
• Im Standzylinder darf sich kein Eis befinden.
• Optional: Handschuhe sind beim Umgang mit Eis zu tragen, um direkten Körperkontakt zu vermeiden.

Wir zeigen euch, wie ihr diese Challenge mit eurer Gruppe von Schülern oder Jugendlichen nachstellen könnt – eine unterhaltsame physikalische Herausforderung.

Hier könnt ihr euch die Episode von Take Off anschauen, in der diese Challenge vorkommt: Take Off Show Luxembourg | Where focus goes, energy flows!⚡️Episode 2 | S.1 | (youtube.com) Das Duell seht ihr ab Minute 22:45.

Konkreter Ablauf: Die wissenschaftliche Methode anhand der Science Challenge vermitteln

Diese Science Challenge kann sowohl individuell als auch in Gruppen durchgeführt werden. Es ist entscheidend, dass alle Teilnehmenden identisches Material verwenden und die Regeln sowie Gewinnkriterien klar verstanden werden. Die Schwierigkeit der Challenge variiert je nach zur Verfügung gestelltem Material.

Der Ablauf der Challenge ist angelehnt an 4 Schritten, die es erlauben die wissenschaftlichen Methode zu vermitteln: 1. Frage, 2. Hypothesen, 3. Experiment /Test 4. Schlussfolgerung.

Die Frage ist die eigentliche Challenge. Die Schüler formulieren anschliessend ganz intuitiv ihre Hypothesen: Wie genau will ich die Challenge am besten lösen? Welche Methode ist am vielversprechendsten? Diese Hypothese wird danach im Experiment bzw der Durchführung getestet. Wenn unterschiedliche Gruppen unterschiedliche Herangehensweisen haben, werden somit unterschiedliche Hypothesen getestet. Das Resultat zeigt dann, welche Hypothese die bessere war.
 

1. Frage stellen: Der oder die Challengemaster gibt die Frage bekannt: Wie bringt man Eis schnellstmöglich zum Schmelzen?

2. Hypothesen formulieren: Die Gruppen haben 3-5 Minuten Zeit, sich alle Materialien anzuschauen Die Schüler überlegen sich, wie sie diese Challenge wohl gewinnen, also mit welcher Methode sie das Eis am schnellsten zum Schmelzen bringen. Sie reflektieren also sozusagen über verschiedene Hypothesen.

3. Testen: Bei einer Challenge ist die Testphase zur Hypothesenüberprüfung die Kompetition: Der Challenge Master gibt das «Go» und hält den Wasserstand aller Teams im Blick. Sobald eines der Teams die Markierung am Zylinder erreicht hat, gibt der Challengemaster die Gewinner bekannt.

4. Schlussfolgerung/Erklärung: Gemeinsam wird nun diskutiert, welche Methode(n) am besten geeignet war(en) und warum. Wieso waren die Gewinner schneller als die anderen? Wieso haben die anderen Methoden nicht so gut geklappt? Gegebenenfalls können die Gruppen auch in einer zweiten Runde eine weitere Methode ausprobieren, um sich zu verbessern.

Physik des Eisschmelzens

Das Schmelzen von Eis erfordert mehr Energie, als man zunächst vermuten würde. Tatsächlich benötigt man etwa die gleiche Menge Energie, um ein Gramm Eis zu schmelzen, wie um ein Gramm Wasser von 0 auf 80 °C zu erwärmen, nämlich 334 kJ/g oder 80 kcal/g.Verschiedene Methoden und Kombinationen können genutzt werden, um diese Energie schnellstmöglich dem Eis zuzuführen:

• Erhöhung der Kontaktfläche zur warmen Luft: Bei Raumtemperatur kann die Umgebungsluft zum Schmelzen genutzt werden. Das dauert jedoch etwas. Beschleunigt wird dieser Prozess, indem man das Eis zerkleinert und somit die Kontaktfläche mit der Umgebungsluft erhöht.
• Ventilator: Mittels Ventilator bläst man ständig “warme”, also circa 22 Grad warme Luft auf das Eis. Ausserdem, steigt die Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft direkt um das Eis herum an, wenn dieses schmilzt. Wenn diese Luft gesättigt ist, läuft der Prozess der Verdampfung langsamer ab. Das Eis schmilzt schneller, wenn kontinuierlich frische, also ungesättigteLuft darauf geblasen wird.
• Untermischung von Metall: Metall ist ein guter Wärmeleiter und kann so Wärme schneller auf das Eis übertragen, was das Schmelzen beschleunigt.
• Direkte Wärmezufuhr: Durch Bau eines Gefäßes aus Alufolie, das mit Eis gefüllt und über einer Kerze erwärmt wird, oder durch Erwärmung des Eises mittels Thermodraht und Batterie.
• Zugabe von Salz: Salz lässt Eis schmelzen in dem es den Gefrierpunkt von Wasser senkt. Eine gesättigte Salzlösung gefriert erst bei etwa -21°C.
• Kombination allen: Wenn man alle oder mehrere Methoden gleichzeitig anwendet, ist man wahrscheinlich am schnellsten.

Autoren: Lucie Zeches, Joseph Rodesch (FNR)
Editoren: Jean-Paul Bertemes, Michèle Weber (FNR)