Under the hood: The chemistry of cars - Cynthia Chubbuck

Die Chemie unter der Motorhaube – Cynthia Chubbuck

Übersetzung: Nadine Hennig Lektorat: Angelika Lueckert Leon

There are over one billion cars in the world today,

Es gibt heutzutage weltweit eine Milliarde Autos,

getting people where they need to go,

die Menschen überallhin transportieren,

but cars aren't just a mode of transportation,

aber Autos sind nicht nur Transportmittel,

sondern auch ein gutes Lehrbeispiel für Chemie.

they're also a chemistry lesson waiting to be taught.

The process of starting your car begins in the engine cylinders,

Das Starten eines Autos beginnt mit den Zylindern im Motor,

where a spritz of gasoline from the fuel injector

wobei ein Spritzer Benzin vom Einspritzventil

and a gulp of air from the intake valve

und etwas Luft aus dem Einlassventil

mix together before being ignited by a spark,

gemischt werden, bevor sie von einem Funken entzündet werden,

forming gases that expand and push the piston.

Gase bilden, die sich ausdehnen und den Kolben antreiben.

But combustion is an exothermic reaction, meaning it releases heat.

Aber die Verbrennung ist eine exotherme Reaktion,

d. h. Wärme wird freigesetzt.

Lots of it.

Sehr viel Wärme.

And while much of this heat escapes through the tail pipe,

Ein Großteil dieser Wärme entweicht durch das Auspuffrohr.

the heat that remains in the engine block needs to be absorbed, transported, and dissipated

Die im Motorblock verbleibende Wärme hingegen

muss absorbiert, transportiert und beseitigt werden,

to protect the metal components from deforming or even melting.

um die Metallbestandteile vor Verformung oder sogar Schmelzung zu schützen.

This is where the cooling system comes in.

Dafür ist das Kühlsystem da.

A liquid gets circulated throughout the engine,

Eine Flüssigkeit wird durch den Motor geleitet.

but what kind of liquid can absorb all that heat?

Aber welche Art Flüssigkeit kann all diese Wärme absorbieren?

Water may seem like an obvious first choice.

Wasser liegt als erste Wahl auf der Hand.

After all, its specific heat,

Seine spezifische Wärme --

the amount of energy required to raise the temperature

die erforderliche Energie zur Erhöhung der Temperatur

of a given amount by one degree Celsius,

einer bestimmten Menge um 1°C --

is higher than that of any other common substance.

ist höher als die anderer gebräuchlicher Substanzen.

And we have a lot of heat energy to absorb.

Beim Auto muss viel Wärmeenergie absorbiert werden.

But using water can get us into deep trouble.

Aber Wasser kann auch große Probleme verursachen.

For one thing, its freezing point is zero degrees Celsius.

Denn zum einen liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 0°C.

Since water expands as it freezes,

Da gefrierendes Wasser sich ausdehnt,

kann es in einer kalten Winternacht zu einem kaputten Kühler

a cold winter night could mean a cracked radiator and a damaged engine block,

und einem beschädigten Motorblock kommen.

a chilling prospect.

Also schlechte Aussichten.

And considering how hot car engines can get,

Automotoren können so heiß werden,

the relatively low boiling point of 100 degrees Celsius

dass der relativ niedrige Siedepunkt von 100°C

can lead to a situation that would get anyone steamed.

dazu führt, dass so ziemlich jeder Motor dampft.

So, instead of water, we use a solution,

Statt Wasser verwenden wir also eine Lösung,

a homogeneous mixture consisting of a solute and a solvent.

ein homogenes Gemisch aus einer gelösten Substanz und einem Lösemittel.

Some of the solution's properties will differ depending on the proportion of solute present.

Die Eigenschaften dieser Lösung variieren

je nach Anteil der gelösten Substanz.

These are called colligative properties, and as luck would have it,

Diese "kolligativen Eigenschaften" schließen, wie es der Zufall will,

they include freezing point depression and boiling point elevation.

niedrigere Gefrierpunkte und höhere Siedepunkte mit ein.

So, solutions have both a lower freezing point and a higher boiling point than pure solvent,

Lösungen haben einen niedrigeren Gefrierpunkt

und einen höheren Siedepunkt als ein reines Lösemittel.

and the more solute is present, the bigger the difference.

Je mehr gelöste Substanz sie enthält, desto größer ist die Differenz.

So, why do these properties change?

Aber warum verändern sich diese Eigenschaften?

First of all, we need to understand that temperature is a measure

Temperatur misst

die durchschnittliche Bewegungsenergie der Teilchen.

of the particle's average kinetic energy.

The colder the liquid, the less of this energy there is,

Je kälter die Flüssigkeit, desto weniger Energie,

and the slower the molecules move.

desto langsamer bewegen sich die Moleküle.

When a liquid freezes, the molecules slow down,

Wenn eine Flüssigkeit gefriert, verlangsamen sich die Moleküle,

enough for their attractive forces to act on each other,

sodass die Anziehungskräfte aufeinander wirken können,

arranging themselves into a crystal structure.

und sich Kristallstrukturen bilden.

But the presence of solute particles gets in the way of these attractions,

Aber die Teilchen des gelösten Stoffes

kommen diesen Anziehungskräften in die Quere,

requiring a solution to be cooled down further before the arrangement can occur.

sodass sie erst bei noch tieferen Temperaturen

Anordnungen bilden.

As for the boiling point, when a liquid boils,

Wenn eine Flüssigkeit siedet,

it produces bubbles filled with its vapor,

erzeugt sie mit Dampf gefüllte Blasen,

but for a bubble to form, the vapor pressure must become as strong

aber damit sich eine Blase bilden kann, muss der Dampfdruck so stark

as the atmosphere constantly pushing down on the surface of the liquid.

wie der Luftdruck sein, der auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkt.

As the liquid is heated, the vapor pressure increases,

Wenn die Flüssigkeit erhitzt wird, steigt der Dampfdruck.

and when it becomes equal to the atmospheric pressure,

Ist er so hoch wie der Luftdruck,

the bubbles form and boiling occurs.

bilden sich Blasen und die Flüssigkeit siedet.

Der Dampfdruck einer Lösung ist niedriger als der des reinen Lösemittels,

A solution's vapor pressure is lower than that of pure solvent,

so it must be heated to an even higher temperature

also muss sie auf eine noch höhere Temperatur erhitzt werden,

before it can match the strength of the atmosphere.

bevor sie den Wert des Luftdrucks erreicht.

As an added bonus, the pressure in the radiator

Als weiterer Vorteil wird der Druck im Kühler

is kept above atmospheric pressure,

über dem Luftdruck gehalten,

raising the boiling point by another 25 degrees Celsius.

wodurch der Siedepunkt um weitere 25°C ansteigt.

The solution commonly used for a car's cooling system

Die am häufigsten verwendete Lösung für das Kühlsystem

is a 50/50 mixture of ethylene glycol and water,

ist ein 50:50-Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser,

which freezes at -37 degrees Celsius and boils at 106 degrees Celsius.

das bei -37°C gefriert und bei 106°C siedet.

At the highest recommended proportion of 70 to 30,

Bei dem am meisten empfohlenen Verhältnis von 70:30

the freezing point is even lower at -55 degrees Celsius,

ist der Gefrierpunkt noch niedriger, bei -55°C,

and the boiling point rises to 113 degrees Celsius.

und der Siedepunkt steigt auf 113°C.

As you can see, the more ethylene glycol you add,

Je mehr Ethylenglykol man hinzufügt,

the more protection you get, so why not go even higher?

desto mehr Schutz besteht also. Warum also nicht noch mehr davon?

Well, it turns out you can have too much of a good thing

Das wäre dann doch wieder zu viel des Guten,

because at higher proportions,

weil bei höheren Anteilen

the freezing point actually starts to go back up.

der Gefrierpunkt sogar wieder ansteigt.

The properties of the solution head towards the properties of ethylene glycol,

Die Eigenschaften der Lösung nähern sich denen von Ethylenglykol,

which freezes at -12.9 degrees Celsius,

das bei -12,9°C gefriert,

also bei einer höheren Temperatur als die Lösung.

a higher temperature than we attained with the solution.

The solution flows through the engine, absorbing heat along the way.

Die Lösung wird durch den Motor geleitet und absorbiert dabei die Wärme.

When it reaches the radiator, it's cooled by a fan,

Erreicht sie den Kühler, wird sie von einem Gebläse

as well as air rushing through the front of the car

sowie der Luft, die durch den Motor braust, gekühlt,

before returning to the hot engine compartment.

bevor sie zum heißen Motorraum zurückkehrt.

So, an effective and safe engine coolant

Ein effektives und sicheres Motorkühlmittel

must have a high specific heat, a low freezing point, and a high boiling point.

muss eine hohe spezifische Wärme,

einen niedrigen Gefrierpunkt und einen hohen Siedepunkt haben.

But instead of searching all over the world for the perfect liquid to solve our problem,

Aber anstatt weltweit nach der perfekten Flüssigkeit

zur Lösung unseres Problems zu suchen,

we can create our own solution.

können wir unsere eigene Lösung entwickeln.