[NEWS] Neues aus CHINA : Stille Proteste, Revolution etc.

[Muzmuz]

hylozoik übernahm hier mittels Copy/Paste unkritisch folgenden Text:
"Nachteilig wirkt sich hier die hohe Wärmekapazität des Heliums aus, was (bei kalter Umgebung) zum Auskühlen der Lunge und damit des Tauchers führt.[42][43]"

Ist aber inhaltlich so nicht richtig. Wahr ist, dass Helium eine hohe spezifische Wärmekapazität hat. Diese gibt an, wieviel Wärme (in Joule) man braucht, um 1 kg des Stoffes um 1 Kelvin zu erhöhen. Für das konkrete Problem mit dem Taucher ist aber nicht die spezifische, sondern die molare Wärmekapazität von Belang. Helium kommt zu seiner hohen spezifischen Wärmekapazität, weil es so leicht ist. Das heißt, beim Atmen von 1 kg kaltem Helium wird dem Körper deutlich mehr Wärme entzogen als beim Atmen von 1 kg Luft (etwa die 5-fache Wärmemenge). Aber, pro Atemzug atmen wir ja nicht eine vorgegebene Masse an Atemgas ein, sondern ein vorgegebenes Volumen, konkret im Bereich von einem halben bis 3 Liter, je nach Lungenvolumen und der Tiefe des Atemzugs. Und da Luft gut 7 mal die Masse von Helium hat, entzieht kalte Luft dem Körper pro Atemzug 7/5 = 1.4 mal so viel Wärme wie Helium (vorausgesetzt sind jeweils gleiche Temperaturen beim Ein- und Ausatmen von Luft und Helium).

Ich habe noch nachgeschaut, ob das vermeintlich beobachtete Problem des Auskühlens vom Joule-Thomson-Effekt herrühren könne. Aber auch hier sprechen die Zahlen dagegen. Bei gängigen Tauchtemperaturen erwärmt sich Helium sogar beim Entspannen durch eine Drossel (=der Atemregler). Insofern ist offen, was genau man da meint, beobachtet zu haben.

Eine letzte mögliche Erklärung wäre noch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Helium. Aber da sich die Temperatur der Atemluft beim Ausatmen zwischen Helium und Luft nicht maßgeblich unterscheidet (da und dort knapp unterhalb der Körpertemperatur), fällt diese auch nicht ins Gewicht.

Woher diese ursprünglichen Behauptungen also kommen, ist mir unklar. Vielleicht kann uns hier ein Tauchsachverständiger Erklärungen anbieten.

 

[Muzmuz]

Erläuterung des Unterschiedes zwischen spezifischer und molarer Wärmekapazität sowie generelle Erklärungen zu Wärmekapazitäten von Gasen:

Wie oben beschrieben, bezieht sich die spezifische Wärmekapazität auf eine bestimmte Masse von Gas (z.b. 1 kg).
Ist ein Gas sehr leicht (wobei mit "sehr leicht" gemeint ist, dass ein bestimmtes Volumen des Gases eine sehr geringe Masse hat), kann es eine hohe spezifische Wärmekapazität haben, ohne dass ein bestimmtes Volumen jenes Gases viel Wärme zur Erwärmung bräuchte - was ja auch genau der Fall beim Helium ist.

Die molare Wärmekapazität bezieht sich auf die Stoffmenge, also der Anzahl an Gasteilchen. Diese ist proportional mit dem Volumen eines Gases bei gegebenen Bedingungen, konkret Druck und Temperatur.
Nahezu ideale Gase, was Luft und Helium bei gängigen Tauchtemperaturen auch sind, haben bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur gleich viele Teilchen pro Volumen. Das heißt, 1 Liter Helium bei 1 bar und 20°C beinhaltet (praktisch) gleich viele Teilchen wie 1 Liter Sauerstoff oder 1 Liter Wasserstoff oder 1 Liter Luft oder 1 Liter Argon oder 1 Liter Stickstoff oder 1 Liter Kohlendioxid).
Da die einzelnen Teilchen aber unterschiedlich schwer sind (Atom- bzw Molekulargewicht von Helium ist 4, von Wasserstoff 2, reinem Sauerstoff 32, reinem Stickstoff 28, Luft (näherungsweise 80% Stickstoff, 20% Sauerstoff 0.8*28+0.2*32 = 28.8), reinem Argon 40 und so weiter) haben die gleichen Volumina unterschiedlicher Gase unterschiedliche Massen.
Aus diesem Grund steigt auch ein Helium- oder Wasserstoffballon auf. Ein mit Stickstoff gefüllter Ballon würde theoretisch auch aufsteigen (Stickstoff mit seinen 28 ist ja auch leichter als Luft mit ihren 28.8), aber der müsste theoretisch gut 30x so groß sein wie ein Heliumballon. In der Praxis noch mehr, da das Füllgas eines Ballon leicht komprimiert ist und der ganze Ballon ja auch noch die Masse der Hülle mitschleppen muss.

Also - jetzt haben wir einmal den Einfluss der Teilchenmasse auf die spezifische Wärmekapazität behandelt - der beim Helium zur außergewöhnlich hohen spezifischen Wärmekapazität führt.
Dazu kommt aber auch noch der Einfluss der "Form" der Teilchen, der direkten Einfluss auf die molare Wärmekapazität hat.
Die Temperatur eines Gases skaliert ja mit der mittleren Teilchengeschwindigkeit. Je schneller die Teilchen herumfliegen, desto höher die Temperatur. Die gesamte kinetische Energie der herumfliegenden Teilchen ist dabei die Wärme. Ja, Wärme ist nichts anderes als eine bestimmte Form kinetischer Energie der wärmetragenden Materie.

Jetzt ist es aber so, dass die Gasteilchen diese kinetische Energie auf verschiedene Arten aufnehmen können. Einatomige Gase, wie es die Edelgase (also auch Helium) sind, können sie nur durch Beschleunigung des Teilchens aufnehmen. Das heißt, die aufgenommene Wärmeenergie eines Heliumatoms geht in eine Geschwindigkeitserhöhung gemäß der bekannten Gleichung aus der Mechanik E = 1/2 m*v^2 ein.
Bei mehratomigen Gasen sieht das aber anders aus. Auch bei diesen schlägt sich eine Aufnahme von Wärmeenergie in einer Beschleunigung der Teilchen nieder, aber diese können die Energie auch auf andere Weise aufnehmen.
Stellen wir uns das Heliumteilchen als einen Ball vor. Diesem kann man kinetische Energie nur mittels Beschleunigung zuführen. Ein zweiatomiges Gas können wir und als Hantel vorstellen. Auch einer Hantel kann man kinetische Energie durch Beschleunigung zuführen, aber hier gibt es noch eine zweite Möglichkeit, nämlich der Rotation. Stoße ich eine reibungslos gelagerte Hantel an einem Punkt nicht völlig zentral an, tritt neben der Beschleunigung auch eine Rotation ein. Also schon zwei Arten, Wärme aufzunehmen. Je mehratomiger ein Gas ist, umso mehr Arten gibt es, Wärme aufzunehmen - und das mathematisch (ziemlich) exakt berechnebar.
Beim einatomigen Gas gibt es nur die Beschleunigung, aber diese in 3 Raumrichtungen (der Raum hat ja 3 Dimensionen). Diese Möglichkeiten nennen sich "Freiheitsgrade". Beim zweiatomigen Gas kommen neben diesen 3 Freiheitsgraden noch 2 weitere Dazu, nämlich Rotationen um 2 Achsen. Eine Hantel kann sich ja (sichtbar) um 2 Achsen drehen. Eine Rotation um die dritte Achse (die Längsachse der Hantel) fällt hier weg, da ohne Reibung keine Rotation um diese Achse verursacht werden kann - und auf atomarem Level existiert ja keine Reibung. Reibung ist wie Wärme ein ausschließlich makroskopisches Phänomen.

Im Summe heißt das, beim einatomigen Gas geht die gesamte zugeführte Wärmeenergie in eine lineare Beschleunigung der Teilchen ein, und damit zu einer bestimmten Temperaturerhöhung. Bei zweiatomigen Gas tragen die beiden Rotationen nicht zur linearen Beschleunigung bei, hier tragen also 2 von 5 Freiheitsgraden nicht zu einer Temperaturerhöhung bei (aber sehr wohl zur Wärmeaufnahme!). Das heißt, um das Gas um eine bestimmte Temperatur zu erhöhen, muss man 5/3 mal so viel Wärme zuführen als bei einem einatomigen Gas.
Und genau das spiegelt sich in der molaren Wärmekapazität c(v) nieder.
Jene von Helium (einatomig) beträgt 12.6 J/molK, jene von Luft (hauptsächlich zweiatomig) 20.7 J/molK, was ziemlich genau dem Faktor 5/3 entspricht.
Diese Werte gelten (praktisch) unabhängig von der Art der ein- oder zweiatomigen Gase.
Argon (auch einatomig) 12.4 J/molK, Stickstoff (auch zweiatomig) 20.7 J/molK, Sauerstoff (zweiatomig) 21 J/molK, Wasserstoff (zweiatomig) 20.2 J/molK.

Für den Taucher heißt das nun wie schon oben geschrieben, eine Lunge voll kaltem Helium braucht WENIGER Wärme als eine Lunge voll kalter Luft.