Kann man Stahl genauso schnell abkühlen wie erhitzen und wenn ja was würde Passieren?
Ist es Möglich Stahl genauso schnell abzukühlen wie es zu erhitzen? Nehmen wir mal an ich Habe einen stahl Block 1 m mal 1m und hätte ihn zum Glühen gebracht das dauer ja jenachdem so oder so lang . Aber unter den aller besten Voraussetzungen .maximale Geschwindigkeit beim erhitzen wie mein abkühlen mit Stickstoff oder so . Geht das ?
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Habe mich nicht gut genug ausgedrückt.
Ich Versuche es nochmal.
Also wir Haben einen Block 1m mal 1m .
Der ist entweder Schön glühend heiß oder Er hat den Absoluten null Punkt .
Besitzt er keine Wärme mehr Wird er so schnell erhitzt wie es geht ohne zu schmelzen es soll der stahl Block bleiben .
Andersherum das abkühlen auf den absoluten Nullpunkt.
Und die Frage ist erst gemeint . Was ist schneller ich weiß es nicht . Denn ich kann ja nicht unendlich Energie hinzufügen oder ableiten . Wie schnell ist das möglich.
Und würde die Struktur des Stahls leiden ?.
Danke fürs mit rätzeln.
Weil die Diskussionen etwas ausarten, schaffe doch bitte etwas Klarheit: Was für Temperaturen meinst du? Also aufheizen von ...°C auf ...°C und abkühlen von ..°C auf ...°C?
Oki habe ein Nachtrag gemacht . Habe es nicht gut formuliert sorry
5 Antworten
So gefragt müssten wir das rein physikalisch betrachten. Leider bin ich kein Held der Physik. Aber ich probiere es mal.
Aufheizen bedeutet Energie hinzufügen. Dafür können wir theoretisch Millionen von °C verwenden.
Nehmen wir einfaches Laserschneiden. Das ist ein hoher Energie-Eintrag auf kleinstem Raum. Hier vergast/verpufft Stahl regelrecht in Mikrosekunden.
Abkühlen können wir nur mit dem absoluten Nullpunkt und der liegt gerade mal bei ca. -273 °C. Auch kann ich da keine Anti-Energie in den Stahlblock reinschießen. Ich kann lediglich die (möglichst leitende nicht kochende) Umgebung kalt machen und hoffen, dass da die Energie wieder raus fließt. Ich schätze je niedriger die Temperatur wird, desto langsamer wird das.
Das ist vielleicht auch der Grund warum man einen Liter Wasser schneller von 20 auf 100 °C zum Kochen bringen kann, als es von 20 auf 0 °C zum Einfrieren zu bringen.
Fazit: Es ist eine interessante Frage deren Antwort ich leider nicht kenne aber ich schätze, dass Erhitzen schneller geht als Abkühlen.
Der Aggregatzustand von Stahl wird auch geändert, nämlich von flüssig zu fest. Das ist zumindest meine Anmahme, denn in der Frage stand nicht, dass es ums Härten/Anlassen geht, sondern ganz allgemein ums Erhitzen und Abkühlen. Bei gleicher Frage zu Wasser würde man hier ja auch von einem Aggregatwechsel bzw. an dessen Grenze (Flüssig=Raumtemperatur=21°C zu Gssförmig=Kochen=100 °C und umgekehrt) ausgehen.
Würdest du ein Kühlgerät verwenden, das genauso schnell Wärmeenergie aus dem Wasser ziehen kann, wie eine Herdplatte Wärmeenergie in Wasser einleiten kann, würde das Abkühlen und Aufwärmen pro 20 Kelvin gleich schnell funktionieren.
Und genau das stelle ich in Frage. Es ist weitaus aufwendiger Energie zu entziehen als hinein zu schieben, zumindest wenn man das in einer gewissen Zeit erreichen möchte. Du kannst den Stahlblock in die Sonne oder einen Neutronenstern stecken/beamen aber Öl gefrieren zu lassen, damit es schneller den Block ablühlen kann, würde garnichts bringen. Auf der Ablühlseite sind also eher Grenzen als auf der Aufwärmseite.
Daher komme ich auf den Schluss, dass schneller Abkühlen als die theoretisch höchst mögliche Aufwärmung nicht möglich ist.
Die Begrenzung könnte aber eventuell die Wärmeleitfähigkeit (nicht Kapazität) sein. Kapazitiv habe ich ja theoretisch wahnsinnig viel Energie mit der ich erhitzen könnte. Aber es gibt ja nicht wirklich eine Kälteleitfähigkeit... ich könnte mir aber am Ende noch vorstellen, dass Erhitzen und Abkühlen in ihre extremsten Form am Ende gleich schnell sein könnten.
Da braucht ein 50 W Laser eines Lasercutters halt seine 15 Minuten, während ein 5000 W starker Gasofen das in 9 Sekunden schafft.
Hier schreibst du es ja auch noch einmal selber. Beim Aufheizen kann man mit verschiedenen Energie-Einträgen spielen. Die Leistung bzw. Temperatur-Unterschied geht theoretisch bis hin zu Temperaturen die an einem schwarzen Loch generiert werden und kann entsprechend Beschleunigt werden. Nach unten hin ist es doch aber limitiert, oder siehst du das anders?
Der Aggregatzustand von Stahl wird auch geändert, nämlich von flüssig zu fest. Das ist zumindest meine Anmahme, denn in der Frage stand nicht, dass es ums Härten/Anlassen geht, sondern ganz allgemein ums Erhitzen und Abkühlen.
Der Fragesteller fragt nach einem Stahlblock, den er zum Glühen gebracht hat. Da sich aus einer Flüssigkeit kein Block formen lässt und jemandem, der so elementare Fragen stellt, wohl eher nicht bewusst ist dass der Wechsel des Aggregatzustandes die Sache deutlich verkompliziert, finde ich es naheliegender, anzunehmen dass kein Wechsel des Aggregatzustandes gemeint ist.
Es ist weitaus aufwendiger Energie zu entziehen als hinein zu schieben
Wenn du hier auf die Wirkungsgrade abzielst, ist das gar nicht mal der Fall. Eine Wärmepume (wie sie auch im Kühlschrank zu finden ist) hat einen Wärmewirkungsgrad von 300-500 %, d.h. wenn du 100 W elektrischer Leistung investierst, kannst du Wärmeenergie mit einer Leistung von 300-500 W aus dem Kühlgut abtransportieren. Während ein elektrisches Heizelement zwar einen hohen Wirkungsgrad hat (bei z.B. einer Glühbirne gingen nur 2% als Lichtleistung verloren), aber eben nicht über 100%. Dementsprechend liegt der Fall sogar anders: Mit einem Kühlschrank mit 2 kW elektrischer Leistung könntest du mehr Wärmeenergie transportieren, als mit einer 2 kW starken Herdplatte.
Du hast insofern recht, dass es schwieriger ist, irgendwas unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Weil dann ständig aus der Umgebung Wärmeenergie in dein Kühlgut nachfließt, d.h. du musst deutlich mehr Wärme herausziehen. Aber ich sehe in der Frage des Fragestellers keinen Hinweis, dass er seinen Stahlblock unter die Umgebungstemperatur abkühlen will.
Aber solange du nicht kälter werden willst als die Umgebungstemperatur, geht das Abkühlen leicht. Brauchst nichtmal aktiv arbeiten... du kannst irgendein heißes Objekt einfach in eine kühlere Umgebung stellen und brauchst dann nur noch zu warten. Das geht ganz von selbst.
Und diesbezüglich weise ich gerne nochmal darauf hin: Der Fragesteller spricht nicht davon, seinen Stahlblock unter die Umgebungstemperatur abzukühlen!
Aber es gibt ja nicht wirklich eine Kälteleitfähigkeit...
Richtig. Weil Wärme und Kälte das gleiche ist, nämlich Energie... eben mal mehr und mal weniger davon. Der Unterschied, ob du ein Objekt aufwärmst oder abkühlst, ist einfach nur die Richtung der Wärmeleitung.
ich könnte mir aber am Ende noch vorstellen, dass Erhitzen und Abkühlen in ihre extremsten Form am Ende gleich schnell sein könnten.
Nein, es sind schlichtweg Theorie und Praxis zwei unterschiedliche Dinge.
Die Theorie ist sehr einfach: Die spezifische Wärmekapazität ist eine Stoffkonseante und dementsprechend ist die Wärmekapazität eines bestimmten Objekt konstant. Sie ist unabhängig von der eigenen Temperatur (bei unverändertem Aggregatzustand), unabhängig von den Umgebungsbedingungen und auch unabhängig davon, ob du gerade versuchst das Objekt aufzuwärmen oder abzukühlen. Heißt: Steckst du 100 kJ an Energie herein, bekommst du die gleiche Temperaturänderung als wenn du 100 kJ an Energie herausziehst.
In der Praxis kommt es darauf an, was man denn umsetzen will: Die Temperatur eines Objekts an die Umgebungstemperatur anzugleichen, ist einfach. Geht im Grunde sogar von selbst, wenn man etwas abwartet. Je mehr du das Objekt über die Umgebungstemperatur erwärmen oder unter die Umgebungstemperatur abkühlen möchtest, desto schwieriger wird es, weil du gegen den Wärmestrom arbeitest. Und es ist die Frage, wie viel Wärmeenergie deine Aggregate transportieren können.
So, und deshalb muss man beachten, was für einen Fall man denn betrachtet. Der Fragesteller hat gedanklich einen Stahlblock genommen (der wird Umgebungstemperatur gehabt haben) und zum Glühen erhitzt. Und jetzt will er wissen, ob dieser Stahlblock schneller abgekühlt werden kann (mutmaßlich auf Umgebungstemperatur), als er erhitzt wurde.
Da kommt kein absoluter Nullpunkt vor, da kommt kein Wechsel des Aggregatzustandes vor, da kommen keine hypothetischen beliebig starken Heizelemente vor.
Die Leistung bzw. Temperatur-Unterschied geht theoretisch bis hin zu Temperaturen die an einem schwarzen Loch generiert werden und kann entsprechend Beschleunigt werden. Nach unten hin ist es doch aber limitiert, oder siehst du das anders?
Die Temperaturen in einem Schwarzen Loch sind nicht hoch. Hohe Temperaturen würden mit der Ausstrahlung von Licht einher gehen. Und wenn die betreffende Massenansammlung noch eine Kernfusion zünden könnte, wäre sie ein Stern und kein schwarzes Loch.
Aber ja, ich stimme dir zu, was die theoretisch erreichbaren Extremtemperaturen angeht.
Nur waren die nicht die Frage des Fragestellers. Sondern der Fragesteller fragt nach der Temperaturänderung. Und auch nicht danach, was im theoretischen Extremfall machbar ist, sondern er fragt nach einem ziemlich einfachen praktischen Beispiel.
Die Basics (Energiemengen, Wärmekapazität, absoluter Nullpunkt) sind Allgemeinbildung aus der Schule, und zwar meine ich dass es sogar schon vor der Oberstufe dran kam.
Was Sterne machen, interessiert mich und deshalb hab ich mich ein Bisschen eingelesen. Was im Stahlwerk passiert, dass der Wirkungsgrad von Wärmepumpen gut ist usw. hat man halt in Dokus oder Internetartikeln irgendwann mal aufgeschnappt.
Einzelne, ergänzende Fakten (z.B. der genaue Wirkungsgrad von Wärmepumpen) kann man jederzeit googlen.
Der Rest ist logische Kombination und Rechnerei.
Also ich habe einen sehr gebildeten Freundeskreis und ich glaube die wüsten das nicht . Find schon das du da echt nicht dem Standard enstspichst
Hängt sicherlich auch ein Bisschen davon ab, was einen so interessiert. Ich hab dafür z.B. überhaupt keine Ahnung von BWL und IT. Was das Programmieren angeht, ists für mich absolut normal, dass mir Schüler eine lange Nase drehen, die halb so alt sind wie ich.
Der Fragesteller fragt nach einem Stahlblock, den er zum Glühen gebracht hat.
Da hast du Recht. Der Fragesteller hat ja seine Frage auch inzwischen noch mal dahingehend angepasst.
Wirkungsgrade
..sind mir und dem Fragesteller ja erst einmal egal.
Du hast insofern recht, dass es schwieriger ist, irgendwas unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Weil dann ständig aus der Umgebung Wärmeenergie in dein Kühlgut nachfließt, d.h. du musst deutlich mehr Wärme herausziehen. Aber ich sehe in der Frage des Fragestellers keinen Hinweis, dass er seinen Stahlblock unter die Umgebungstemperatur abkühlen will.
Der Fragesteller hat die Frage wie gesagt angepasst. Es geht nun um den absoluten Nullpunkt, also sogar noch tiefer als Raumtemperatur.
Aber solange du nicht kälter werden willst als die Umgebungstemperatur, geht das Abkühlen leicht. Brauchst nichtmal aktiv arbeiten... du kannst irgendein heißes Objekt einfach in eine kühlere Umgebung stellen und brauchst dann nur noch zu warten. Das geht ganz von selbst.
Das ist klar, aber die Frage war ja nach der Geschwindigkeit des Abkühlens.
Und diesbezüglich weise ich gerne nochmal darauf hin: Der Fragesteller spricht nicht davon, seinen Stahlblock unter die Umgebungstemperatur abzukühlen!
Für mich war das schon so die Bedingung. Es stand auch nirgends, dass er es nicht bis dahin abkühlen möchte. Das war sozusagen Interpretationssache, die ja jetzt komplett neu vom Fragesteller definiert wurde.
Nein, es sind schlichtweg Theorie und Praxis zwei unterschiedliche Dinge.
Da das eine sehr theoretische Fragestellung ist, bin ich hier eigentlich von der Theorie ausgegangen. In der Praxis hättest du dann noch so Effekte wie den Leidenfrosteffekt. Dann müsste man sich ja noch Gedanken über das Kühlmedium machen. Das hätte ich mir jetzt lieber erst einmal gespart.
Die Theorie ist sehr einfach: Die spezifische Wärmekapazität ist eine Stoffkonseante und dementsprechend ist die Wärmekapazität eines bestimmten Objekt konstant. Sie ist unabhängig von der eigenen Temperatur (bei unverändertem Aggregatzustand), unabhängig von den Umgebungsbedingungen und auch unabhängig davon, ob du gerade versuchst das Objekt aufzuwärmen oder abzukühlen. Heißt: Steckst du 100 kJ an Energie herein, bekommst du die gleiche Temperaturänderung als wenn du 100 kJ an Energie herausziehst.
Spricht also dann doch (theoretisch) für gleiche Aufwärm- und Abkühlzeit.
Da kommt kein absoluter Nullpunkt vor, da kommt kein Wechsel des Aggregatzustandes vor, da kommen keine hypothetischen beliebig starken Heizelemente vor.
Es wird bzw. wurde aber auch nicht ausgeschlossen.
Die Temperaturen in einem Schwarzen Loch sind nicht hoch. Hohe Temperaturen würden mit der Ausstrahlung von Licht einher gehen. Und wenn die betreffende Massenansammlung noch eine Kernfusion zünden könnte, wäre sie ein Stern und kein schwarzes Loch.
Deswegen schrieb ich auch an und nicht in einem schwarzen Loch. Ansonsten gebe ich dir Recht. In dem kurzen Moment ist es noch eine Art Sonne bevor es dann eben ein schwarzes Loch wird. Man "misst" die Temperatur also am Übergang von Sonne zum schwarzen Loch. Man kann sich dann streiten ob man theoretisch die Temperatur noch an der Sonne oder schon am schwarzen Loch abliest.
höchste temperatur physik - Google Suche
Nur waren die nicht die Frage des Fragestellers. Sondern der Fragesteller fragt nach der Temperaturänderung. Und auch nicht danach, was im theoretischen Extremfall machbar ist, sondern er fragt nach einem ziemlich einfachen praktischen Beispiel.
Sehe ich anders bzw. selbst wenn, wäre es doch sicherlich nicht verboten die Frage aufzuweiten. Er schrieb aber "Aber unter den aller besten Voraussetzungen .maximale Geschwindigkeit beim erhitzen..." sind für mich doch recht theoretische Betrachtungen. Und um zu wissen ob man schneller Abkühlen kann, wäre ja eben erst einmal die Frage wie schnell man denn überhaupt erhitzen kann. Sonst kann man das doch ohne Vergleich nicht beantworten, oder?
Ist ne komplizierte Frage. Kommt darauf an, wie schnell man die Kalorien in den Stahl hineinprügelt. Mit einer Thermonuklearen Explosion schaffst du es in tausendstel Sekunden, das Ding in Plasma zu verwandeln. Abkühlen ist schwieriger. Im Weltraum kann keine Temperatur über Kontakt mit Medien abgeleitet werden, sondern nur durch Wärmestrahlung. Das dauert, kann man aber ausrechnen. Unter irdischen Verhältnissen könnte man es mit einem ständigen umströmen eines verflüssigten und tiefkalten Gas machen. Leider weiss ich nicht, wie die größte, physikalisch machbare Wärmefällung bei Stahl ist. Das Eisen würde sich nicht mehr in ein Metallgefüge verwandeln sondern in amorphes Eisen, also quasi ein metallisches Glas.
Puh das ist ne schwierige Frage
Wasser oder besonders LN² kommen bei den Abmessungen als Abschreckmittel schonmal nicht infrage, Stichwort Leidenfrosteffekt. Da muss man auf (sehr viel) Härteöl in einem Bad mit starker Umwälzung zurückgreifen
Limitiert bist du in beiden Fällen durch die Wärmeleitfähigkeit des Stahls, deshalb würde ich behaupten dass eine vollständige Erwärmung und vollständige Abkühlung so ziemlich die selbe Zeit benötigen würden, allerdings nur unter der Annahme dass das Ölbad sich nicht (bzw nur geringst) erwärmt. Ansonsten wäre wohl das Erwärmen etwas schneller
Die Frage ist ja gar nicht nach dem Härten oder Abschrecken. Sondern einfach nur, ob eine schnelle Abkühlung möglich ist.
Der absolute Nullpunkt mit ~-273°C ist in diesem Universum nicht zu erreichen! Lass dir das einmal von einem Physiker erklären-
Ist es Möglich Stahl genauso schnell abzukühlen wie es zu erhitzen?
Man kann Stahl sogar sehr viel schneller abkühlen, als man ihn erhitzen kann.
Das wird doch gerne in Dokumentationen gezeigt: Zum Härten wird Stahl erst rot glühend erhitzt, was je nach Masse Stunden dauern kann, und dann in Wasser getaucht, wo er in wenigen Minuten stark abgekühlt wird.
Bist du dir sicher? Also Wasser kann ich schneller erhitzen als zum Einfrieren zu bringen.
Bist du dir sicher?
Ja.
Also Wasser kann ich schneller erhitzen als zum Einfrieren zu bringen.
Das hat drei Gründe:
- Wasserkocher und Herdplatten transportieren sehr viel mehr Energie als Kühlschränke.
- Es macht einen Unterschied, ob du nur "irgendwie abkühlen" möchtest, oder ob du unterhalb der Umgebungstemperatur kommen möchtest. Für ersteres kannst du dich ganz auf Effekte verlassen, die freiwillig ablaufen und für letzteres musst du aktiv gegen Widerstände arbeiten.
- Das Einfrieren von Wasser ist mit einem Wechsel des Aggregatzustandes verbunden. Und das ist im Hinblick auf die enthaltene Energie eine riesen Sache! Allein um vom 0°C kalten Wasser auf 0°C kaltes Eis zu kommen, musst du so viel Energie aus dem Wasser ziehen, wie du herausgezogen hast um es von 80 °C auf 0 °C abzukühlen.
Der Grund, weshalb man Stahl mit einem Wasserbad so schnell von 600 °C auf 90 °C abkühlen kann, liegt daran dass man sehr viel Wasser verwenden kann. Du kannst ja problemlos für 1 t Stahl ein Wasserbecken mit 100 t Wasser nehmen. Und: Du versuchst nicht, eine Temperatur zu erreichen, für die man aktiv Energie aus dem Stahl herausziehen muss. Sondern etwas, das grob Richtung Temperaturausgleich mit der Umgebung geht, reicht vollkommen aus. Und der Stahl wechselt natürlich nicht den Aggregatzustand. Sondern er ist ein Feststoff und bleibt ein Feststoff.
Dein Beispiel mit dem Wasser wäre treffender, wenn du es nicht einfrieren wolltest, sondern 1-2 l kochendes Wasser in einen Plastikbeutel füllen und in eine volle Badewanne mit kaltem Wasser stecken würdest, mit dem Ziel es auf 30 °C abzukühlen.
Aber unterm Strich ist die Sache sehr einfach: Es gibt keinen Gasofen, der schneller Wärmeenergie auf Stahl übertragen kann, wie Wärmeenergie von glüßend heißem Stahl in Wasser fließen kann.
Da bin ich halt mehr von der Theorie begeistert. Bei realen Sachen hat man noch viel andere Probleme. Welchen Gasofen möchte man heranziehen? Welches Kühlmedium sollte man nehmen? (so wäre Wasser eher ungeeignet und man müsste wohl eher Öl nehmen)
Aber beim Wechsel vom Aggregatzustand gebe ich dir Recht. Das habe ich oben in der Frage nicht gut gelesen.
So, danke für den Nachtrag.
Du willst also den absoluten Nullpunkt erreichen. Das macht ein Problem: Es gibt nichts, das kälter ist als der absolute Nullpunkt. Sprich, am Ende des Prozesses ist der Temperaturunterschied verschwindend gering. Und das bedeutet auch eine verschwindend geringe Abkühlrate, das Abkühlen geht quasi undenlich langsam. Im Grunde erreichst du den absoluten Nullpunkt nie.
Während du dieses Problem in der anderen Richtung nicht hast: rotglühender Stahl ist was bei 700 °C heiß. Die Flammen eines Gasbrenners oder die Glut eines Hochofens sind deutlich heißer. Dadurch hast du selbst zum Ende des Aufheizprozesses noch einen starken Temperaturunterschied und damit geht das Aufheizen ziemlich schnell.
Unter diesen Vorgaben hat also der Abkühlprozess von Anfang an keine Chance, es gibt kein Mittel mit dem du ihn auch nur annähernd so schnell bekommen könntest wie das Aufheizen.
Der Temperaturunterschied ist nicht das Problem. Der muss einfach nur groß genug sein.
Nein, das entscheidende Problem ist der Wärmetransport; die Menge an Wärmeenergie, die das Wärmelement pro Minute abgeben oder das Kühlmedium pro Minute aufnehmen kann. Stahl hat eine spezifische Wärmekapazität von 0,447 kJ je kg und Kelvin. Heißt, um die Temperatur von 1 kg Stahl um 100 Kelvin zu ändern (z.B. von 20°C auf 120 °C, musst du 44,7 kJ an Wärmeenergie entweder eintragen oder herausziehen. Da braucht ein 50 W Laser eines Lasercutters halt seine 15 Minuten, während ein 5000 W starker Gasofen das in 9 Sekunden schafft.
Das ist zwar richtig, aber es sind eben nur mikroskopisch kleine Mengen an Stahl, die da verdampfen.
Um heißen Stahl auf Handwärme abzukühlen, reicht kaltes Wasser absolut aus.
In der Frage gehts nicht darum, welche Temperaturen erreichbar sind. Sondern nur darum, ob es grundsätzlich möglich ist, schneller abzukühlen als aufzuwärmen.
Wenn du nur das Wasser auf 0°C abkühlen möchtest, ohne es zu gefrieren, liegt das schlichtweg an der Technik: Herdplatten und Wasserkocher haben eine viel höhere Leistung als Kühl- und Gefrierschränke. Du vergleichst da so ein Bisschen die Zeit, die ein Auto für 80 km braucht, mit der Zeit die ein Kleinkind mit dem Dreirad für 20 km braucht. Würdest du ein Kühlgerät verwenden, das genauso schnell Wärmeenergie aus dem Wasser ziehen kann, wie eine Herdplatte Wärmeenergie in Wasser einleiten kann, würde das Abkühlen und Aufwärmen pro 20 Kelvin gleich schnell funktionieren.
Aber wenn du das Wasser auch noch gefrieren möchtest, kommt dazu noch ein Wechsel des Aggregatzustandes. Und der macht im Hinblick auf die Wärmeenergien einen gewaltigen Unterschied! Um 1 l Wasser von 20°C auf 0°C abzukühlen, musst du 84 kJ an Wärmeenergie herausziehen. Aber um diese Wassermenge zu 0°C kaltem Eis zu gefrieren, musst du einfach mal zusätzliche 334 kJ herausziehen. Der ganze Vorgang erfordert also den Abtransport von 418 kJ Wärmeenergie. Während du nur 336 kJ an Wärmeenergie erbringen musst, um 1 l Wasser von 20°C auf 100 °C zu erwärmen.