Verdampfungswärme

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Die Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenergie ΔQ_v ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu bringen (Verdampfen). Die Verdampfungswärme ist ein wichtiger Kennwert in der Dampfdruckkurve.

Die meist recht hohe Wärmemenge wird technisch zur Kühlung angewendet.

Beim umgekehrten Prozess (Kondensation) wird genau diese Wärmemenge wieder als Kondensationswärme frei.

Abtrennarbeit

Für den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand muss – auch falls sich die Flüssigkeit schon am Siedepunkt befindet – Energie zugeführt werden. Diese Abtrennarbeit dient zur Überwindung der Anziehungskräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen. Dabei geht die aufgewandte Energie aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht verloren, sondern wird zu einem Teil der im Gas enthaltenen inneren Energie U.

Bei verflüssigten Edelgasen ist die Abtrennarbeit am kleinsten, da nur Van-der-Waals-Kräfte überwunden werden müssen, bei anderen Flüssigkeiten kommen Dipolmoment oder Wasserstoffbrückenbindung hinzu. Noch höher ist die Verdampfungswärme bei den Metallen (starke metallische Bindung) und am höchsten bei den Salzen wegen der vergleichsweise extrem starken Ionenbindung.

Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers

Beispiel: Um ein Kilogramm Wasser bei 100 °C und 1013 mbar zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ΔU = 2088 kJ aufzuwenden. Die Abtrennarbeit ist für Wasser wegen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen relativ hoch.

Verschiebungsarbeit im isobaren Fall

Außerdem hängt der Betrag der zuzuführenden Verdampfungswärme von den Prozessbedingungen ab. Geschieht die Verdampfung oder Verdunstung isobar bei konstantem Druck p, wie es oft der Fall ist, so muss das entstehende Gas, um sich vom Flüssigkeitsvolumen V_F auf das Gasvolumen V_G auszudehnen, gegen den äußeren Druck p die Verschiebungsarbeit p·(V_G-V_F) = p ΔV leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht: ΔQ_v = ΔU + p·ΔV.

Beispiel: Bei 100 °C und 1013 mbar hat ein Kilogramm Wasser im flüssigen Zustand ein Volumen von 1,04 dm³ und im gasförmigen Zustand ein Volumen von 1,673 m³. Die Wasser-Konzentration in der Gasphase beträgt bei 100 °C dann 598 g/m³. (siehe Dampfdruckkurve)

Die Sättigungsmenge von Wasserdampf in Luft in Funktion der Temperatur.

Die Volumenzunahme beim Verdampfen beträgt also 1,672 m³ und die bei der Ausdehnung gegen den äußeren Luftdruck geleistete Verschiebungsarbeit 169 kJ. Die unter isobaren Verhältnissen bei 100 °C und 1013 mbar pro kg Wasser zuzuführende Verdampfungswärme beträgt daher ΔQ_v = ΔU + p·ΔV = 2088 kJ + 169 kJ = 2257 kJ = 2,26 MJ.

Unter anderen Bedingungen, wie z.B. Verdampfen ins Vakuum, Verdampfen bei konstantem Volumen usw. gelten andere Gesetzmäßigkeiten.

Verdampfungswärme und Verdampfungsenthalpie

Die aus den Zustandsgrößen U, p und V gebildete Zustandsgröße H = U + p·V heißt Enthalpie. Ändern sich U, p und V um die Beträge ΔU, Δp und ΔV, so ändert sich H um den Betrag ΔH = ΔU + V·Δp + p·ΔV. Bleibt der Druck, wie im hier betrachteten Fall, konstant, so ist ΔH = ΔU + p·ΔV.

Im isobaren (Druck = konstant) Fall ist die zugeführte und auf Abtrenn- sowie Verschiebungsarbeit verteilte Energie ΔQ_v = ΔU + p·ΔV also gleich der Enthalpieänderung des Systems

und wird dann auch Verdampfungsenthalpie ΔH_v genannt.

Beispiel: die Verdampfungsenthalpie von 1 kg Wasser beträgt 2257 kJ (bei 100 °C).

Verwendung des Formelzeichens ΔQ_v betont, dass die Energiezufuhr in Form von Wärme geschieht, Verwendung des Formelzeichens ΔH_v betont, dass die Zustandsgröße Enthalpie des Systems verändert wird.

Zahlreiche alltägliche Verdampfungs- und Verdunstungsvorgänge finden unter isobaren Verhältnissen statt, weil die betreffenden Systeme dem atmosphärischen Luftdruck ausgesetzt sind. Die aufzuwendende Verdampfungswärme ist dann insbesondere eine Verdampfungsenthalpie und ist unter dieser Bezeichnung für viele Stoffe tabelliert.

Die stoffspezifische Verdampfungsenthalpie hängt von der Temperatur, nicht dagegen vom äußeren Luftdruck ab. Tabellenwerte finden sich meist für die Siedetemperatur des Stoffes (Dampfdruck des Stoffs ist dann 1013 mbar). Die spezifische Verdampfungswärme bezieht sich auf 1 kg (bzw. 1 g), die Verdampfungsenthalpie auf 1 mol des verdampfenden Stoffs.

• Bestimmung der Verdampfungswärme

Für beliebige Temperaturen kann die molare Verdampfungsenthalpie über den gemessenen Dampfdruck (des zu destillierenden Stoffs) mit der Beziehung von Clausius-Clapeyron berechnet werden (Sättigungsdampfdruck).

Temperaturen berechneter Verdampfungsenthalpie für Wasser

Die molare Verdampfungsenthalpie (in kJ/mol) kann in die spezifische Verdampfungsenthalpie (in kJ/g) umgerechnet werden, indem man sie durch die molare Masse (hier: 18,02 g/mol für Wasser) teilt.

Die molare Verdampfungsenthalpie von Wasser kann im Temperaturbereich von 273 bis 473 K (0 bis 200 °C) durch folgende empirische Formel berechnet werden:

$ H_{v}\left[\mathrm {\frac {kJ}{mol}} \right]=50{,}09-0{,}9298\cdot {\frac {T}{1000}}-65{,}19\cdot \left({\frac {T}{1000}}\right)^{2}. $

Kondensationswärme

Kondensiert das Gas unter denselben Bedingungen wieder, so wird die zum Verdampfen aufgewandte Verdampfungswärme in Form der betragsmäßig identischen Kondensationswärme auch wieder frei. Man spricht dann anschaulich davon, dass diese Energie in Form nicht fühlbarer Latentwärme im Gas gespeichert gewesen sei. Diese Ausdrucksweise ist jedoch irreführend, da die Verdampfungswärme beim Verdampfen zum Teil in innere Energie überführt und zum Teil als mechanische Arbeit an die Umgebung abgegeben wird. Bei keiner dieser Energieformen handelt es sich um Wärme.

Sublimationswärme

Bei der Sublimation (Phasenumwandlung von fest nach gasförmig) spricht man von Sublimationswärme, welche zusätzlich zur Verdampfungswärme auch die Schmelzwärme des Stoffes beinhaltet. Auch Wasser kann sublimieren, daher trocknet Wäsche auch bei Temperaturen unter 0 °C.

Anwendungen

Die Verdampfungsenergie wird vor allem zum Wärmetransport genutzt.

• Siedekühlung
• Funktionsgrundlage des Kühlturms („Rieselkühler“)
• stromlos betreibbare „Verdunstungs-Kühlschränke“ ^[1]
• Weinkühler
• die Kühlung z. B. des menschlichen Körpers durch Schwitzen.
• Kältemaschine/Wärmepumpe: die Verdampfungswärme wird an der (zu) kühlenden Seite aufgenommen (Verdampfer) und an der (zu) heizenden Seite abgegeben (Kondensation).
• Bei der Heizung durch Verbrennung werden feste oder flüssige Brennstoffe ebenfalls in den Gaszustand versetzt, daher muss die Verdampfungswärme aufgebracht werden. Brennwertkessel können diese teilweise zurückgewinnen.

Negativbeispiele sind u.a.:

• Verdunstungskälte:
  • weiteres Abkühlen der Autoscheiben bei fahrtwindbegünstigter Verdunstung alkoholhaltiger Schweibenwaschzusätze; daher müssen diese Mischungen für sehr viel tiefere Temperaturen ausgelegt sein als die Außentemperatur im Winter
  • Frieren bei nasser Haut oder Kleidung
  • Bei der Entnahme von Gas aus Flüssiggasbehältern (Kohlendioxid, Stickstoff, Propangas usw.) kühlen die Rohrleitungen stark ab und müssen oft z.B. mittels Metallrippen durch Konvektion der Umgebungsluft erwärmt werden.
• Kondensationswärme:
  • Bei der Verflüssigung von Gasen müssen hohe Energiemengen eingesetzt werden.
  • Die Dampfmaschine und auch das Gas-und Dampfkraftwerk (GuD) haben eine um die Verdampfungswärme des Wassers verminderten Wirkungsgrad, weil die Abwärme des Kondensators (falls vorhanden) meist nicht genutzt wird.

Übersicht Verdampfungsenthalpien der chemischen Elemente

Spezifische Verdampfungsenthalpie ΔH_v [kJ/g] und die molare Verdampfungsenthalpie [kJ/mol] der reinen chemischen Elemente für die Siedetemperatur des Elements und einen Druck von 1013 hPa. Alle Angaben wurden von den jeweiligen Datenübersichten der im Einzelnen genannten Elemente übernommen.

Hauptgruppenelemente:

Nebengruppenelemente: (alle Daten konsistent mit den bei den einzelnen Elementen genannten. Die spezifische Verdampfungsenthalpie wurde aus der molaren Verdampfungsenthalpie berechnet; sie gelten am Siedepunkt der Elemente)

Einzelnachweise