Handwärmer werden an kalten Wintertagen dankbar angenommen, um durchfrorene Finger zu wärmen. Die Anwendung ist ganz einfach: Metallplättchen knicken, die Flüssigkeit leicht durchkneten, und schon breitet sich wohlige Wärme aus. Doch wie funktioniert ein Handwärmer eigentlich?
Neben ihrem Einsatz als Werbegeschenk sind Handwärmer mittlerweile auch in Apotheken als Augenmasken zum Wärmen der Augenlider bei Gerstenkörnern zu finden. Die oft niedlich gestalteten Plastikhüllen – von Pinguinen bis zu Herzen – sind mit einer Flüssigkeit und einem kleinen Metallplättchen gefüllt. Wird das Metallplättchen geknickt, beginnt die Flüssigkeit zu kristallisieren und erwärmt sich scheinbar wie von selbst. Keine Magie, sondern Thermodynamik hautnah erlebt: In Wirklichkeit handelt es sich um eine einfache thermische Reaktion.
Latentwärmespeicher
Das Prinzip beruht auf der sogenannten Latentwärmespeicherung.
Dabei wird ein Großteil der Wärmeenergie in Form von Umwandlungsenthalpie, auch latente Wärme genannt, gespeichert. Die Energie ist „verborgen“ (latent), bis sie wieder freigesetzt wird.
Metastabiler Zustand
Bei der Flüssigkeit handelt es sich um eine übersättigte Lösung von Natriumacetat-Trihydrat (CH₃COONa · 3H₂O). Das bedeutet: Es ist mehr Salz im Wasser gelöst, als eigentlich möglich wäre. Diese Lösung liegt im „geladenen Zustand“ metastabil vor. Sie bleibt also stabil, solange sie nicht gestört wird.
Die Salzlösung würde normalerweise bei etwa 58 Grad erstarren, bleibt aber noch bei Raumtemperatur flüssig, weil ihr ohne Kristallisationskeim der Anfangspunkt für die Kristallbildung fehlt.
Mechanischer Reiz
Durch das Knicken des Metallplättchens entsteht besagter Kristallisationskeim, der die Kristallisation des Salzes aus der übersättigten Lösung anregt.
Die gelösten Natrium- und Acetat-Ionen bilden wieder ein Ionengitter, während sich Wassermoleküle darin einlagern und ein festes Hydrat (Trihydrat) bilden. Dabei wird die latent gespeicherte Kristallisationswärme (Schmelzenthalpie) freigesetzt, und die Flüssigkeit erwärmt sich bis auf ihre Schmelztemperatur von etwa 58 Grad.
Es handelt sich um eine exotherme Reaktion:
CH₃COO⁻(aq) + Na⁺(aq) → CH₃COONa · 3H₂O (fest) exotherm
Richtiges Regenerieren und Wiederverwenden
Nachdem die gespeicherte Energie abgegeben wurde, ist die Flüssigkeit vollständig auskristallisiert (erstarrt) und erkaltet. Führt man erneut Wärme zu, wird diese im System gespeichert, und die Kristalle lösen sich wieder auf.
Zum Wiederaufladen des Wärmekissens wird empfohlen, es so lange in heißes Wasser zu legen, bis das Salz geschmolzen ist. Da sich das Salz bereits bei 58 Grad verflüssigt, reicht ein Erhitzen auf 60 bis 70 Grad völlig aus. Ein Erwärmen auf 100 Grad ist unnötig und kann die Lebensdauer der Kunststoffhülle verkürzen. In der Mikrowelle darf das Wärmekissen keinesfalls erhitzt werden, denn es kann dabei platzen.
Glaubersalz
Ein anderes Salz, mit dem sich dieser Effekt ebenfalls demonstrieren lässt, ist Natriumsulfat. Es liegt im sogenannten Glaubersalz als Decahydrat (Na₂SO₄ · 10H₂O) vor. Glaubersalz schmilzt bereits bei 32,5 Grad in seinem Kristallwasser. Prinzipiell könnten Handwärmer auch damit befüllt werden, jedoch ist die Wärmeausbeute aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes geringer.