Falls du den Versuch nicht durchführen konntest, hier ein Video:
Kurzerklärung: Das Wasser, das durch das Rühren nach außen gedrängt wurde, fließt, wenn man mit dem Rühren aufhört, wieder zur Mitte zurück, und nimmt den Tee mit. Dies geschieht nicht auf direktem Wege, sondern aufgrund der Trägheitskräfte ist die Strömung weiterhin kreis- bzw. spiralförmig.
Genauer lässt es sich so erklären: Während des Rührens wirkt hauptsächlich die Zentrifugalkraft, die das Wasser und die Blätter nach außen drückt. Da die Wand der Tasse verhindert, dass sich der Tee beliebig weit nach außen bewegt, entsteht als Gegenreaktion eine nach innen gerichtete Druckkraft. Wenn du mit dem Rühren aufhörst, klingt die Zentrifugalkraft langsam ab, sodass die Druckkraft eine größere Rolle spielt. Hinzukommt, dass es am Boden der Tasse eine Grenzschicht gibt, in der die Strömung stark abgebremst wird. Denn da sich der Boden der Tasse nicht bewegt, werden die Wasserteilchen dicht am Boden durch Reibungskräfte gebremst, sodass sie nicht durch die Gegend flitzen können. Die Zentrifugalkraft ist in dieser Schicht also viel kleiner, aber die nach innen gerichtete Druckkraft ist gleichgroß, sodass insgesamt eine Kraft nach innen wirkt.
Das Wasser strömt mit den Teeblättern nach innen und steigt dann in der Tassenmitte auf. Aufgrund der Schwerkraft steigen die Teeblätter nicht mit auf, sondern sammeln sich am Boden.
Und was hat das mit Chemieingenieurwesen bzw. Verfahrenstechnik zu tun?
Strömungen spielen in der Verfahrenstechnik eine wichtige Rolle. Strömungen können unter anderem durch das Rühren in einem Behälter verursacht werden. Es gibt verschiedene Rührertypen. Sie werden eingeteilt in Rührer die eher radial mischen, also innerhalb einer Ebene und welche die axial vermischen, also von oben nach unten.
Hauptsächlich radial mischende Rührer sind Scheibenrührer und Ankerrührer (siehe Abbildung). Der Scheibenrührer wird für dünnflüssige Stoffe verwendet. Sein Durchmesser beträgt zwischen einem Fünftel und der Hälfte des Behälterdurchmessers. Er erzeugt hohe Scherkräfte, was zum Dispergieren, also Verteilen von Feststoffen in einer Flüssigkeit günstig ist. Der Ankerrührer hingegen ist für dickflüssigere Stoffe. Er dreht sich langsamer und wird so ausgelegt, dass sich seine Arme dicht an der Behälterwand entlang bewegen, was bei dickflüssigen Stoffen wichtig ist, um eine gute Durchmischung zu bekommen.
Hauptsächlich axial mischende Rührer sind Schrägblattrührer und Wendelrührer. Wie bei den oben genannten Typen ist auch hier der eine – der Schrägblattrührer – für dünnflüssigere und der andere – der Wendelrührer – für dickflüssigere Stoffe geeignet.
Bevor du den perfekten Rührer auswählen kannst, ist es wichtig, dass du dir Gedanken machst, welche Aufgabe der Rührer erledigen soll. Außerdem solltest du abschätzen, wie dickflüssig dein Medium ist und ob Bestandteile davon empfindlich gegenüber hohen Scherkräften sind, sodass sanftes Rühren wichtig wäre. Schließlich spielt auch die Kraft, die für das Rühren benötigt wird bzw. die damit zusammenhängenden Größen Energie und Leistung eine Rolle und manchmal auch die Wärme, die durch das Eintragen dieser Leistung zur Erwärmung der Flüssigkeit führt.
Die Rühraufgaben sind:
- Homogenisieren: Das Ausgleichen von Konzentrationsunterschieden von verschiedenen, miteinander mischbaren Medien (z.B. wenn Aroma- und Farbstoffe aus Tee gelöst werden und sich nur langsam in der Teetasse ausbreiten, hilft umrühren)
- Dispergieren flüssig/fest (=Suspendieren): Das Aufwirbeln und Vermischen von Feststoffen in einer Flüssigkeit (wie im obigen Beispiel werden die Teeblätter durch Rühren aufgewirbelt, aber sinken danach wieder zu Boden)
- Dispergieren flüssig/flüssig (= Emulgieren): Das Einrühren einer Flüssigkeit in eine andere, wobei die beiden nicht ineinander löslich sind
- Dispergieren flüssig/gasförmig: Das Einrühren eines Gases in eine Flüssigkeit
- Wärmeübergang, d. h. das zielgerichtete Einleiten von Wärme oder Kälte in ein Fluid