Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 15.01.15


Ultraschall im Einsatz

Vortrag von Franziska Meixner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 13/14


Gliederung:

1 Emulgierung mit Ultraschall
    
1.1 Die Ultraschalltechnik in der Chemie
     1.2 Die Dressingherstellung einmal einfacher

2 Kavitation
     2.1 Faktoren zur Entstehung von Kavitation
     2.2 Der Vorgang der Kavitation

3 Vergleich Mischen per Hand und mit Ultraschall

Literatur


1 Emulgierung mit Ultraschall

Einführungsproblem. Ein gutes Essig-Öl-Dressing per Hand zubereitet stellt oft ein Problem dar. Entweder man bereitet das Dressing in kurzer Zeit zu und muss sich dann beeilen, weil sich das Dressing sonst gleich wieder trennt und es dann nicht mehr schmeckt. Oder man verwendet sehr viel Zeit darauf das Dressing gut mit dem Schneebesen aufzuschlagen, bis die Öltropfen klein genug sind. Das braucht aber 20 Minuten und man bekommt einen steifen Arm. Um mir das Leben zu erleichtern, habe ich eine mechanische Version gesucht.

1.1 Die Ultraschalltechnik in der Chemie

Abb. 1: Ultraschall-Wanne Abb. 2: Ultraschallprozessor

Die Lösung sind diverse Ultraschallgeräte, wie man sie in Abb. 1 und 2 sehen kann. Als Beispiel für die folgenden Erklärungen fungiert der Ultraschallprozessor. Dieser Prozessor mixt Essig und Öl in weniger als einer Minute.

Dies liegt daran, dass durch den Ultraschall mehr Druck aufgewendet werden kann.

Zum Verständnis zunächst der Aufbau eines solchen Ultraschalls.

Abb. 2: Aufbau des Ultraschallprozessors [4]

Funktionsweise: Der Generator Bringt die benötigte mechanische Energie für den Betrieb des Prozessors auf. Über den Booster wird diese Energie weiter verstärkt und zur Sonotrode geleitet. Sie gibt die Mechanische Energie dann über Ultraschallwellen in das gewünschte Medium ab. [2]

Nochmal zur Erinnerung die Größenordnung der Frequenzen von Ultraschallwellen:

Abb. 3: Bereiche der einzelnen Schallintensitäten: Blau 16 Hz - 20 kHz, für den Menschen wahrnehmbarer Bereich, Schwarz - Grau Ultraschallbereich.

Der Ultraschallprozessor gibt Ultraschallwellen im Bereich von etwa 40 kHz ab. Hier also schon der erste Unterschied zum Dressingmischen mit der Hand.

Damit der Unterschied zum Aufschlagen mit der Hand deutlich wird, wird der Versuch nun einmal mit beidem durchgeführt:

1.2 Die Dressingherstellung einmal einfacher (Versuch)

Möglich wäre der Versuch auch mit der Ultraschallwanne. Das dauert aber länger, da hier die Ultraschallwellen nur indirekt auf das Medium einwirken können, da zwischen der Probe und dem Gerät noch Wasser aufzufinden ist.

Experiment Mischen von Öl und Essig per Hand (links) und mit dem Prozessor (rechts), Ziel Salatsoße
Material
  • Becherglas 100mL
  • Schneebesen oder Löffel
Chemikalien
  • Essigsäure (w<10%)
  • Lebensmittelfarbe rot
  • Speiseöl
Durchführung Per Hand: Essig und Öl werden 1:1 in ein Becherglas gegeben und mit den Schneebesen für zirka 15 Minuten kräftig aufgeschlagen.

Mit dem Prozessor: Essig und Öl werden in einer 1:1 Mischung unter den Prozessor gestellt und etwa für 1 Minute den Ultraschallwellen ausgesetzt.

Beobachtung

Das von Hand gemischte Dressing enthält sehr viele große Öltropfen im Essig und bereits nach kurzer Zeit entmischt sich die Emulsion wieder.


Abb. 4:
Mischen von Essig und Öl per Hand

Die Emulsion mit dem Prozessor bleibt noch über Minuten erhalten und enthält sehr feine Ölbläschen.

Abb. 5: Mischen von Essig und Öl mittels Ultraschall
Interpretation Das Mischen per Hand zerteilt das Öl nur sehr grob, weshalb keine feinen Öltropfen im Essig vorgefunden werden können. Die Tropfen haben es so leichter sich wieder an der Oberfläche des Essigs zu einer Schicht zu vereinen. Je kleiner also die Tröpfchen vorliegen, desto besser können die beiden Flüssigkeiten gemischt werden und desto langsamer entmischt sich die Emulsion auch wieder. Deshalb bleibt das Dressing mit dem Prozessor auch länger erhalten.

2 Kavitation

Definition: Kavitation ist die Entstehung und Auflösung von Dampfgefüllten Hohlräumen in einem flüssigen Zweiphasensystem. Sie entsteht beim Beschallen einer Flüssigkeit mit hoher Intensität. [2], [3]

2.1 Faktoren zur Entstehung der Kavitation

Die Entstehung der Kavitation ist abhängig von der sog. Kavitationszahl σ. Diese wird berechnet aus:

  • der Dichte ρ des ungestörten Fluids
  • dem Druck p in der ungestörten Strömung
  • dem Dampfdruck des Fluids pv und
  • der Strömungsgeschwindigkeit v2

Die Kavitation wird demnach umso größer, je kleiner die Dichte der Flüssigkeit ist und damit je geringer die Dichte des verwendeten Fluids ist. [4]

2.2 Vorgang der Kavitation

Wird das Zweiphasensystem aus Essig und Öl nun beschallt, entstehen Schallwellen. Diese erzeugen im System nun abwechselnd Hochdruck- und Tiefdruckzonen, also eine Kompression und Verdünnung des Systems (auch refraction genannt). Diese Druckzonen sind abhängig von der Frequenz des verwendeten Schalls, genauer von der Auslenkung der Amplitude. Man kann sagen:

Je größer die Auslenkung der Amplitude ist, desto stärker sind die Druckzonen ausgeprägt. [4]

Der Vorgang spielt sich im Allgemeinen so ab:

Abb. 6: Vorgang der Kavitation bis zur Implosion der Blase. Gelb: Vakuum-Blasen. Rot: Hotspot. Lila: Implosionswellen.

In einer Tiefdruckzone erzeugen die Ultraschallwellen Vakuum-Blasen, welche eine hohe Energie besitzen (siehe Abb. 6 erstes Minimum). In der darauf folgenden Hochdruckzone ziehen sich die Vakuumblasen leicht zusammen, der Radius wird kleiner und die Energie wird verdichtet (Abb. 6 erstes Maximum). Es folgt eine weitere Tiefdruckzone in der die Blasen erneut Energie der Ultraschallwellen speichern. Die Blase dehnt sich wieder aus und der Radius wird größer. Dies geschieht bis die Blasen ein Volumen erreicht haben, in der sie nicht mehr in der Lage sind Energie in sich aufzunehmen. Eine weitere Hochdruckzone trifft auf die Blasen auf. Die gespeicherte Energie wird erneut verdichtet und die Blasen schrumpfen. Nun sind wir am Hotspot (Abb. 6 roter Punkt) des Vorgangs angelangt. An diesem Punkt kommt es zum Kollaps der Blasen. Da sie keine Energie mehr in sich aufnehmen können, werden sie instabil und implodieren.

Die bis dahin gespeicherte Energie wird in Form von Hitze bis zu 5000K und einem enormen Druck von bis zu 1013 hPa, das entspricht dem Druck auf der Erde, frei. Die Druckwelle erreicht eine Geschwindigkeit von ca. 400 km/h. Dieser Druck verstärkt dann alle weiteren Hoch- und Tiefdruckzonen, welche von den Ultraschallwellen noch gebildet werden. [2]

Auf diese Weise kann das Essig-Öl Dressing gut Homogenisiert werde. Das 2-Phasensystem wird durch die Kavitation so in kleinste Tröpfchen getrennt und durchmischt, dass die einzelnen Bestandteile, wie ihr im Versuch sehen konntet, nicht mehr zu erkennen sind.


3 Vergleich Essig per Hand und mit Ultraschall

Dressing per Hand Dressing mit Ultraschall
  • Gemischt wird mit dem Schneebesen; mechanische Energie durch die Hand
  • Mischung durch Ultraschallwellen direkt auf das Medium
  • große Öltropfen im Essig
  • sehr feine Öltropfen im Essig
  • nicht sehr zeitbeständig
  • zeitbeständiger als per Hand
  • Entmischung nach wenigen Minuten vollständig
  • nie vollständige Entmischung
  • sehr zeit- und kraftaufwendig (Dauer 15 Minuten)
  • sehr schnell und (menschliche)Kraft ist nicht nötig (Dauer weniger als 1 Minute)

Warum man mit der Hand nicht auch so eine gute Durchmischung der zwei Phasen hinbekommt, liegt daran, dass man per Hand nicht den nötigen Druck für eine Kavitation aufwenden kann.

Beweis liefert uns die folgende Gleichung:

c stellt dabei die Konzentration der Lösung dar, welche in unserem Fall 1 ist, da wir keine Feststofflösung besitzen sondern ein reines Fluid. [4]

ω beschreibt die Kreisfrequenz:

ω = 2π * f

wobei f die Frequenz des Schalls ist.

Setzt man nun die gewünschten Werte ein, so erhält man den Druck, der vom Ultraschall aufgewendet wird. In unserem Fall sind das 1480 hPa.

Verglichen mit meinem Arm, der 40 Pa und Druck aufwenden kann (berechnet durch die einfache Formel p = F/A, also Kraft/Fläche), ist der vom Ultraschall aufgewendete Druck gewaltig. Deshalb kann Ultraschall das Dressing auch wesentlich besser mischen als der eigene Arm mit einem Schneebesen.

Zusammenfassung. Ultraschall homogenisiert 2-Phasensysteme durch Kavitation. Das ist ein Vorgang der Hohlraumbildung in Form von Vakuumblasen, welche durch Hoch- und Tiefdruckzonen Energie speichern bis das Maximum erreicht ist. An diesem Punkt wird die Blase instabil und implodiert. Ihre Energie wird in form von Wärme und Druck abgegeben. So entstehen in dem Dressing kleinste Ölbläschen, welche nachher nahezu nicht mehr sichtbar sind. Deshalb ist Ultraschall eine perfekte Alternative für die Zubereitung eines Essig-Öl-Dressings. Es geht schneller und das Dressing ist beständiger.


Literatur:

  1. http://www.wb.bv.tum.de/forschung/huber/huber_d.pdf, Keller, R. H.; Maßstabsgesetze bei Kavitation. 4. 3. 2014
  2. http://www.hielscher.com/ultrasonics/nano_00.htm, Hielscher, T. (2014). Ultrasonic Production of nano-size Dispersion and Emulsion. 13. 3 2014
  3. http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/eva/2001/maschinenbau/4, Vortmann, C. (2001). Untersuchungen zur Thermodynamik des Phasenübergangs bei der numerischen Berechnung kavitierender Düsenströmungen. Karlsruhe. 13.01.2015
  4. Persönliche Mitteilung von Dr. Daria Andreeva-Bäumler, LS PC II, Universität Bayreuth.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 15.01.15