Energiebilanz bei Phasenübergängen

Wärmeenergie bewirkt, dass ein Körper von einem Aggregatzustand in einen anderen Aggregatzustand übergeht. Dieser Übergang, der auch Phasenübergang genannt wird, führt dazu, dass ein Körper schmilzt, verdunstet, verdampft oder kondensiert.

Arbeitsmittel

Phasenübergang fest und flüssig

Wenn man einem festen Stoff lang genug Wärme zuführt, wird er flüssig. Hier kannst du sehen, was dabei passiert:

In einem Festkörper haben die Atome und Moleküle einen fixen Platz und bewegen sich nur sehr wenig. Sie zittern nur ganz leicht. Wenn sich ein Festkörper erwärmt, wird diese Zitterbewegung heftiger, der Körper bleibt aber noch im festen Zustand. Sobald er seine Schmelztemperatur (Schmelzpunkt) erreicht, bewirkt die zugeführte Wärmeenergie keine Temperaturerhöhung, sondern diese Energie wird für die Schmelzarbeit verwendet. Diese Schmelzarbeit wird genutzt, um die Molekularkräfte (Anziehungskräfte) zwischen den Atomen und Molekülen zu überwinden. Weil die gesamte Wärmeenergie zum Aufbrechen dieser Verbindungen benötigt wird, bleibt die Temperatur im Schmelzpunkt gleich.

Ein Beispiel – dieser Körper hat seinen Schmelzpunkt bei 10 °C:

Kerze

Die Molekularkräfte der verschiedenen Stoffe sind unterschiedlich groß. Deshalb wird für jeden Stoff eine unterschiedlich große Wärmeenergie benötigt, um schmelzen zu können.

Die spezifische Schmelzwärme gibt an, wie viel Energie erforderlich ist, um 1 kg des Stoffs zu schmelzen.
$$ q_s = 1 \frac{kJ}{kg} $$

Die spezifische Schmelzwärme von Eis ist ziemlich groß – sie beträgt 334 kJ/kg. Das bedeutet: Die Energie, die erforderlich ist, um 1 kg Eis (bei 0 °C) in 1 l flüssiges Wasser (bei 0 °C) zu verwandeln, ist gleich groß wie die Energie, die erforderlich ist, um 3,34 l Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erhitzen.

Sogar, wenn es ziemlich warm ist, dauert es eine Weile, bis Schnee und Eis völlig geschmolzen sind. Das liegt an der hohen spezifischen Schmelzwärme von Eis. Das hat den Vorteil, dass es im Frühling nicht allzu oft zu Überschwemmungen kommt.

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

Handwärmer
Ein Handwärmer gibt Kristallisationswärme frei.

In Wein-, Obst- und Gemüsegärten macht man sich die Kristallisationswärme zunutze, um die jungen Triebe vor Frostschäden zu schützen. Im Frühling besprüht man die Pflanzen mit Wasser. Dieses Wasser erstarrt dann auf der Pflanze und gibt dabei Kristallisationswärme frei, die junge Blätter und Blüten vor Frostschäden schützen kann.

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

Phasenübergang flüssig und gasförmig

Damit ein flüssiger Körper in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen kann, müssen seine Teilchen die Flüssigkeit verlassen. Und das ist nur möglich, wenn die Bewegungsenergie der Teilchen groß genug ist, um die Molekularkräfte zwischen den Teilchen und den Luftdruck, der auf der Flüssigkeit lastet, zu überwinden. Solang ein flüssiger Körper seine Siedetemperatur (Siedepunkt) nicht erreicht hat, können nur die sehr schnellen Teilchen die Flüssigkeit verlassen. Wenn man aber genügend Wärmeenergie zuführt und die Flüssigkeit ihre Siedetemperatur erreicht, dann wird ab diesem Moment die gesamte Wärmeenergie dazu genutzt, alle Teilchen dazu zu bringen, die Flüssigkeit zu verlassen.

Verdampfen

Verdampfen = Übergang von flüssiger in gasförmige Phase bei Siedetemperatur
Verdampfungswärme = für das Verdampfen erforderliche Energie

Wasser siedet unter Normaldruck und auf Meeresniveau bei 100 °C. Damit hat Wasser auch schon seine Maximaltemperatur erreicht. Wasser kann nie heißer werden als seine Siedetemperatur. Auch dann nicht, wenn man es noch so lang weiter erhitzt.

Wenn man einen Topf mit Wasser auf einem Herd so lang erwärmt, bis das Wasser kocht, dann sieht man auf einem Thermometer im Wasser die Maximaltemperatur, die das Wasser je erreichen kann. Heißer kann das Wasser nicht werden. Diese Maximaltemperatur beträgt nicht überall genau 100 °C, weil sie davon abhängt, wie hoch der Luftdruck an diesem Ort ist.

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

Die spezifische Verdampfungswärme gibt an, wie viel Energie erforderlich ist, damit 1 kg des Stoffs verdampft.
$$ q_v = 1 \frac{kJ}{kg} $$

Seen trocknen auch dann nicht aus, wenn es im Sommer sehr heiß ist. Das liegt daran, dass die spezifische Verdampfungswärme von Wasser sehr groß ist – sie beträgt 2260 kJ/kg.

Kondensieren

Kondensieren = Übergang von gasförmiger in flüssige Phase

Beim Kondensieren wird die zugeführte Energie als Kondensationswärme frei. Das macht man sich bei Heizkesseln, die durch Verbrennung funktionieren, zunutze, indem man die Abgase abkühlt. Dadurch kondensiert der Wasserdampf, der bei einer Verbrennung entsteht, und Kondensationswärme wird frei.

Wusstest du, dass ein 100 °C heißer Wasserdampf auf der Haut stärkere Verbrennungsschäden hervorrufen kann als siedendes Wasser? Das liegt daran, dass der Wasserdampf auf der kälteren Haut kondensiert und dadurch Kondensationswärme frei wird.

Verdunsten

Verdunsten = Übergang von flüssiger in gasförmige Phase unterhalb der Siedetemperatur

In jeder Flüssigkeit gibt es sehr schnelle Teilchen, die genügend Bewegungsenergie haben, um die Oberflächenspannung und den Luftdruck, der auf der Flüssigkeit lastet, zu überwinden, und damit die Flüssigkeit verlassen können. Deshalb können Flüssigkeiten auch bei einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur in den gasförmigen Zustand übergehen.

Teller auf einer warmen Fensterbank
Wasser verdunstet sogar bei Raumtemperatur, also weit unter dem Siedepunkt. Es kann aber lang dauern, bis das ganze Wasser verdunstet ist.

Mit diesem einfachen Experiment kannst du die Verdampfungswärme selbst feststellen:

Probier’s mal!
  • ein Geschirrtuch in warmes Wasser tauchen, auswringen und ungefähr 20-mal in der Luft schleudern
  • das Geschirrtuch am anderen Ende anfassen

Wie fühlt es sich an?

Es fühlt sich kühler an, weil das Wasser durch das Herumschleudern schneller verdunstet und weil die dafür erforderliche Verdunstungswärme diesen Teil des Geschirrtuchs abkühlt.

Das Verdunsten bewirkt, dass einem feuchten Gegenstand Wärme entzogen wird und der Gegenstand damit kühler wird. So konnten die Menschen schon vor Tausenden Jahren in einem feuchten Tongefäß Lebensmittel und Getränke kühlen: Man lässt ein Tongefäß eine Zeit lang im Wasser stehen, so dass es zur Gänze von Wasser bedeckt ist. Dadurch gelangt Wasser in die Poren des Tongefäßes. Dieses Wasser verdunstet dann im warmen Raum und die dafür erforderliche Verdunstungsenergie bewirkt, dass das Tongefäß und damit auch die darin aufbewahrten Lebensmittel und Getränke gekühlt werden. Heute noch gibt es Weinkühler aus Ton, die nach demselben Prinzip funktionieren.

Kühler aus Ton für Nahrungsmittel
Es ist nicht schwierig, einen Kühlbehälter aus Tongefäßen selbst zu basteln.
Selbstgebastelter Kühler aus 2 Tontöpfen mit Sand dazwischen
Das Wasser im nassen Sand zwischen den Tongefäßen verdunstet und kühlt dadurch die Lebensmittel.

Bei Wind trocknet die Wäsche schneller als bei Windstille. Das ist allgemein bekannt. Aber warum ist das so? Wenn Wasser aus der feuchten Wäsche bei Windstille verdunstet, dann bildet sich um die Wäsche eine Luftschicht, die mit Wasser gesättigt ist. Wenn Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, dann besteht ein Gleichgewicht, weil Luft je nach Temperatur nur eine gewisse Menge an Wasser aufnehmen kann. In diesem Gleichgewicht ist die Wassermenge, die verdunstet gleich groß wie die Wassermenge, die wieder von der Wäsche aufgenommen wird. Wenn dagegen der Wind bläst, wird die gesättigte Luftschicht weggeblasen und die Luft um die Wäsche ist wieder trocken genug, um Wasser aus der Wäsche aufnehmen zu können.

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

Die Wirkung des Windes kann man sehr einfach selbst feststellen, indem man auf den Handrücken etwas lauwarmes Wasser gibt und dann leicht darauf bläst. Das fühlt sich kühl an, weil dadurch das Wasser schneller verdunstet und die Verdunstungsenergie verstärkt wird.

In der Medizin wendet man das Prinzip des Wärmeentzugs durch Verdunsten bei der örtlichen Betäubung der Haut an. Dazu wird auf die Haut eine schnell verdunstende Flüssigkeit gesprüht. Durch das Verdunsten wird der Haut viel Wärme entzogen. Die Haut wird gekühlt. Das macht sie weniger schmerzempfindlich.

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

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