Wie funktionieren Handwärmer?

Selbst Handschuhe reichen in den kalten Wintermonaten oft nicht aus, um die Hände angenehm warm zu halten. Sogenannte Latentwärmespeicher können in solchen Momenten kurzfristig Abhilfe schaffen – indem sie ein Phänomen der Thermodynamik nutzen.

Handwärmer, die nach dem Prinzip sogenannter Latentwärmespeicher funktionieren, bestehen in der Regel aus einem Kunststoffbeutel, in dem sich eine spezielle Flüssigkeit sowie ein kleines Metallplättchen befinden. Drückt man auf dieses Metallplättchen und verformt es dadurch, springt es kurz darauf wieder in seine ursprüngliche Form zurück – begleitet durch ein leises Knacken. Plötzlich kristallisiert die Flüssigkeit ausgehend von dem Plättchen und gibt dabei Wärme ab.

Dieser Trick funktioniert, da sich die Flüssigkeit in einem besonderen thermodynamischen Zustand befindet. Denn eigentlich sollte der Phasenwechsel – von flüssig zu fest – längst stattgefunden haben. So wie Wasser bei Temperaturen von unter null Grad Celsius zu Eis gefriert, sollte auch die Flüssigkeit des Handwärmers erstarren, sobald die Temperatur unter die Schmelztemperatur von etwa 58 Grad Celsius fällt. „Der Phasenübergang lässt sich aber verzögern“, sagt Dieter Herlach vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. „Genau das ist in der Flüssigkeit des Handwärmers der Fall. Man spricht von einer unterkühlten Flüssigkeit.“

Dieses Phänomen tritt auf, wenn sogenannte Kristallisationskeime fehlen. „Das kann zum Beispiel ein anderer Kristall sein oder auch der Flüssigkeitsbehälter, der selbst eine kristalline Struktur aufweist“, erklärt Herlach. Denn an solchen Strukturen können sich die ersten Kristalle bilden und so einen Phasenwechsel auslösen: Das Kristallwachstum setzt sich fort – bis die Flüssigkeit zu einem Festkörper geworden ist.

In einem Handwärmer finden sich jedoch weder an der Kunststoffhülle, die keine kristalline Struktur aufweist, noch in der Lösung aus Wasser und wasserhaltigen Salzen irgendwelche Kristallisationskeime. Selbst bei Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt erstarrt die Flüssigkeit daher nicht. „Knickt man allerdings das Metallplättchen, breitet sich in der Flüssigkeit eine Schallwelle aus, die zu Verdichtungen auf atomarer Ebene führt“, berichtet Herlach. „So eine Verdichtung kann die Kristallisation in Gang setzen, mit der die unterkühlte Flüssigkeit von ihrem metastabilen Zustand in den Zustand eines Festkörpers übergeht.“

Warum bei diesem Phasenwechsel die erwünschte Wärme freigesetzt wird, erklärt auch, wieso man diesen Typ von Handwärmer als Latentwärmespeicher bezeichnet. „Stoffe können abhängig von ihrem Zustand unterschiedlich viel Energie speichern“, so Herlach. Ist diese spezifische Energie für einen Stoff nun im flüssigen Zustand höher als im festen Zustand, wird die überschüssige Energie freigesetzt – so auch im Fall der unterkühlten Schmelze. „Die Abgabe dieser latenten Wärme während der Kristallisation führt zur Erwärmung des Handwärmers.“

Sobald der Handwärmer komplett erstarrt ist, kühlt er aus. Durch das Wiederaufschmelzen in heißem Wasser führt man die latente Wärme erneut zu, die dann im Wärmekissen gespeichert ist. Nach wenigen Minuten ist der Latentwärmespeicher wieder einsatzbereit – und kann bei kalten Temperaturen erneut für wohlige Wärme sorgen.