Energiebilanz bei Phasenübergängen

Die Zufuhr von Wärmeenergie hat Einfluss auf den Aggregatszustand. Was genau unter Schmelzen, Verdunsten, Verdampfen und Kondensieren verstanden wird, kann anhand dieser Phasenübergänge beschrieben werden.

Arbeitsmittel

Phasenübergang fest und flüssig

Was passiert, wenn man einem festen Stoff solange Wärme zuführt bis er flüssig wird, sieht man hier:

In einem Festkörper haben die Atome und Moleküle fixe Plätze und führen lediglich „Zitterbewegungen“ um die Ruhelage aus. Erwärmt man einen Festkörper, dann wird diese Zitterbewegung heftiger, er bleibt aber noch im festen Zustand. Hat der Körper die Schmelztemperatur erreicht, dann bewirkt die zugeführte Energie keine Temperaturerhöhung, sondern diese Energie wird für die Schmelzarbeit verwendet. Diese Schmelzwärme dient dazu, dass die Molekularkräfte zwischen den Teilchen überwunden werden können. Es muss ja Arbeit gegen die Anziehungskräfte zwischen den Atomen und Molekülen aufgebracht werden. Weil die gesamte Wärmeenergie zum Aufbrechen dieser Verbindungen benötigt wird, bleibt die Temperatur im Schmelzpunkt gleich. In unserem Modell ist der Schmelzpunkt bei 10 °C.

Kerze

Da die Molekularkräfte der verschiedenen Stoffe unterschiedlich groß sind, benötigt jeder Stoff eine andere Wärmeenergie zum Schmelzen.

Die spezifische Schmelzwärme gibt an, wieviel Energie erforderlich ist, um 1 kg eines Stoffes zu schmelzen.
$$ q_s = 1 \frac{kJ}{kg} $$

Die spezifische Schmelzwärme von Eis ist relativ groß, denn sie beträgt 334 kJ/kg. Das bedeutet, dass man mit der Energie, mit der man 1 kg Eis von 0 °C in 1 l flüssiges Wasser von 0 °C überführen kann, 3,34 l Wasser von 0 °C auf 100 °C erhitzen könnte.

Wegen dieser großen Schmelzwärme braucht es auch sehr lange, bis Schnee und Eis geschmolzen sind, was durchaus positiv ist, da sonst Überschwemmungen im Frühling bei uns an der Tagesordnung wären.

Umgekehrt wird Wärme frei, wenn ein Körper von der flüssigen in die feste Phase übergeht. Diese sogenannte Kristallisationswärme ist genauso groß wie die Schmelzwärme.

Handwärmer
Beim Handwärmer spürst du die Kristallisationwärme.

In Wein- und Obstgärten wendet man das Wissen um die Kristallisationswärme an, um die jungen Triebe vor Nachtfrost zu schützen. Wenn im Frühjahr, also in der Vegetationsperiode, Nachtfrost auftreten kann, dann besprüht man die Obst-, Wein- oder Gemüsegärten mit Sprühwasser, das sich auf den Pflanzen festsetzt und beim Erstarren die Kristallisationswärme frei gibt. Diese Frostschutzberegnung schützt Blätter und Blüten vor Frostschäden.

Blätter, die von einer durchsichtigen Eisschicht überzogen sind
Eingehüllt in Eis überleben Blüten und Blätter auch Minusgrade.

Phasenübergang flüssig und gasförmig

Damit ein Teilchen die Flüssigkeit verlassen kann, muss seine Bewegungsenergie so groß sein, dass es die Molekularkräfte zwischen den Teilchen und den auf der Flüssigkeit lastenden Luftdruck überwinden kann. Unterhalb der Siedetemperatur können das nur die sehr schnellen Teilchen. Erreicht die Flüssigkeit durch Zufuhr von Wärmeenergie die Siedetemperatur, dann wird die gesamte Energie dazu verwendet, dass alle Teilchen die Flüssigkeit verlassen können.

Verdampfen

Wasser siedet unter Normaldruck und auf Meeresniveau bei 100 °C und wird auch bei noch so langer Erhitzung nicht heißer als diese Siedetemperatur beträgt. Das kann man wie folgt beweisen: Man stellt auf eine Herdplatte einen Topf mit Wasser und erhitzt bis zum Siedepunkt.

Das Thermometer zeigt – egal wie stark man erhitzt – immer dieselbe Temperatur von etwa 100 °C an. (Weil die Siedetemperatur vom Luftdruck abhängt, ist sie nicht für jeden Ort bei 100 °C).

Da die Teilchen beim Verdampfen auch den äußeren Luftdruck überwinden müssen, hängt die Siedetemperatur vom Luftdruck ab.

Den Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase bei der Siedetemperatur, nennt man Verdampfen.

Die für das Verdampfen notwendige Energie nennt man Verdampfungswärme.

Die spezifische Verdampfungswärme gibt an, wieviel Energie erforderlich ist, um 1 kg eines Stoffes zu verdampfen.
$$ q_v = 1 \frac{kJ}{kg} $$

Die spezifische Verdampfungswärme von Wasser ist mit 2260 kJ/kg sehr groß. Das ist für das Leben notwendig, weil dadurch Seen im Sommer nicht austrocknen können.

Kondensieren

Kondensiert ein Stoff, also geht er vom gasförmigen Zustand in die flüssige Phase über, dann wird diese zugeführte Energie als Kondensationswärme frei. Bei Heizkesseln, die durch Verbrennung funktionieren, nutzt man diese Kondensationswärme zur Effizienzsteigerung aus. Da bei der Verbrennung auch Wasserdampf entsteht, kühlt man die Abgase soweit ab, dass dieser Wasserdampf noch im Heizkessel kondensiert, wodurch diese große Menge an Kondensationswärme frei wird.

Die Kondensationswärme ist übrigens auch der Grund, dass Wasserdampf von 100 °C stärkere Verbrennungsschäden auf der Haut hervorruft als siedendes Wasser, denn der Wasserdampf kondensiert auf der kälteren Haut und es wird dadurch die Kondensationswärme frei.

Verdunsten

Flüssigkeiten können auch bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur in den gasförmigen Zustand übergehen, denn es gibt immer schnelle Teilchen in der Flüssigkeit, deren Energie so groß ist, dass sie die Flüssigkeit verlassen können. Sie überwinden mit ihrer Bewegungsenergie sowohl die Oberflächenspannung als auch den auf die Flüssigkeit lastenden Luftdruck.

Den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand unterhalb der Siedetemperatur nennt man Verdunsten.
Teller auf einer warmen Fensterbank
Auch bei Raumtemperatur (d. h. weit unter dem Siedepunkt) ist nach einigen Stunden ein Teil oder alles Wasser verdunstet.

Mit einem einfachen, aber sehr eindrucksvollen Experiment, kann man die Verdampfungswärme sehr schön erkennen:

Probier’s mal!

Tauche ein Geschirrtuch in warmes Wasser, wringe es aus und schleudere es etwa 20-mal über deinem Kopf. Was stellst du fest, wenn du jetzt das nicht gehaltene Ende des Geschirrtuchs angreifst?

Durch das Herumschleudern erfolgt die Verdunstung schneller und die dafür notwendige Verdunstungswärme senkt die Temperatur des Geschirrtuchendes.

Bereits im Altertum bediente man sich zum Kühlen der Tatsache, dass zum Verdunsten Wärme dem befeuchteten Gegenstand entzogen wird. Um Speisen und Getränke ohne Kühlschrank zu kühlen, gibt man diese in ein Tongefäß, das man zuerst einige Zeit im Wasser untergetaucht hat. Durch das Untertauchen gelangt Wasser in die Poren des Tongefäßes, das dann im warmen Raum verdunstet. Die dafür nötige Verdunstungsenergie bewirkt, dass das Tongefäß und damit auch die darin aufbewahrten Speisen und Getränke gekühlt werden. Heute noch gibt es Weinkühler aus Ton, die nach demselben Prinzip funktionieren.

Kühler aus Ton für Nahrungsmittel
Ein Kühlbehälter aus Tontöpfen kann auch ganz einfach selbst gebastelt werden.
Selbstgebastelter Kühler aus 2 Tontöpfen mit Sand dazwischen
Der nasse Sand zwischen den Tongefäßen kült die Lebensmittel durch Verdunsten des Wassers.

Warum wird eigentlich Wäsche im Wind schneller trocken als bei Windstille? Wenn Wasser aus der feuchten Wäsche bei Windstille verdunstet, dann bildet sich um die Wäsche eine Schicht, die mit Wasser gesättigt ist. Luft kann nämlich je nach Temperatur nur eine gewisse Menge an Wasser aufnehmen. Wenn Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, dann besteht ein Gleichgewicht. Es verdunstet gleich viel Wasser, wie auch wieder – in unserem Beispiel – von der Wäsche aufgenommen wird. Bläst der Wind, dann wird diese gesättigte Luftschicht weggeblasen und die trockenere Luft kann nun wieder Wasser aus der Wäsche aufnehmen.

Nasse Stocken auf einer Wäscheleine
Das Wasser auf den Socken verdunstet mit der Zeit.

Die Wirkung des Windes kannst du leicht selbst feststellen: Gib auf deinen Handrücken etwas lauwarmes Wasser und blase nun leicht darüber. Du wirst eine leichte Kühlung feststellen, die durch das schneller Verdunsten des Wasser und der damit verbundenen Verdunstungsenergie zusammenhängt.

In der Medizin wendet man das Prinzip des Wärmeentzugs durch Verdunsten bei der örtlichen Betäubung der Haut an. Dazu wird auf die betreffende Hautstelle eine schnell verdunstende Flüssigkeit gesprüht. Durch das Verdunsten wird der betreffenden Stelle viel Wärme entzogen, dadurch kühlt diese Stelle stark ab und wird dadurch unempfindlicher.

Heute forscht man auch nach Möglichkeiten, die Verdunstungswärme und Schmelzwärme zur Kühlung und die Kondensations- und Kristallisationswärme zur Erwärmung umweltfreundlich einzusetzen.

4. Energiebilanz bei Phasenübergängen
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