„Verdampfungsenthalpie“ – Versionsunterschied

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Die '''Verdampfungswärme''' ''ΔQ<sub>v</sub>'' ist die [[Wärme]], die benötigt wird, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit zu [[verdampfen]], also vom [[flüssig]]en in den [[gas]]förmigen [[Aggregatzustand]] zu überführen. Bei der [[Kondensation]], welche die Umkehrung der Verdampfung darstellt, wird derselbe Betrag an Wärme wieder als [[#Kondensationswärme|Kondensationswärme]] frei. Die Verdampfungswärme ist ein wichtiger Kennwert in der [[Dampfdruckkurve]]. Technisch wird die Verdampfungswärme zur Kühlung [[#Anwendungen|angewendet]].
Die '''Verdampfungsenthalpie''' ''ΔH<sub>v</sub>'' ist diejenige Energie, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit zu [[verdampfen]], also vom [[flüssig]]en in den [[gas]]förmigen [[Aggregatzustand]] zu überführen. Die Energie kann dem System in Form von [[Wärme]] und/oder [[Arbeit (Physik)|Arbeit]] zugeführt werden. Im [[Offenes System|offenen System]] ist die Verdampfung [[Isotherme Zustandsänderung|isotherm]] und [[Isobare Zustandsänderung|isobar]], während das Volumen des Stoffs zunimmt. Die [[Kondensation]] (Verflüssigung) als Umkehrung der Verdampfung setzt denselben Betrag an Energie wieder als [[Kondensationsenthalpie]] frei. Die Verdampfungsenthalpie ist ein wichtiger Stoffwert in der [[Dampfdruckkurve]]. Sie nimmt mit zunehmendem Druck und zunehmender Temperatur ab und wird am sogenannten "[[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|Kritischen Punkt]]" zu Null. Technisch wird die Verdampfungsenthalpie z. B. zur Kühlung [[#Anwendungen|angewendet]].


== Abtrennarbeit ==
== 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 [[Chemische Bindung|Anziehungskräfte]] zwischen den [[Molekül|Flüssigkeitsteilchen]]. Dabei geht die aufgewandte Energie aufgrund des [[Energieerhaltungssatz]]es nicht verloren, sondern wird zu einem Teil der im Gas enthaltenen [[Innere Energie|inneren Energie]] ''U''.
Für den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand muss – auch falls sich die Flüssigkeit schon am Siedepunkt befindet – Energie in Form von Wärme und/oder Arbeit zugeführt werden. Diese Abtrennarbeit dient zur Überwindung der [[Chemische Bindung|Anziehungskräfte]] zwischen den [[Molekül|Flüssigkeitsteilchen]]. Dabei geht die zugeführte Energie aufgrund des [[Energieerhaltungssatz]]es nicht verloren, sondern wird zu einem Teil der im Gas enthaltenen [[Volumenarbeit|Volumenänderungsarbeit]].


Bei verflüssigten [[Edelgase]]n ist die Abtrennarbeit am kleinsten, da nur [[Van-der-Waals-Kräfte]] überwunden werden müssen, bei anderen Flüssigkeiten kommen [[Elektrisches Dipolmoment|Dipolmoment]] oder [[Wasserstoffbrückenbindung]] hinzu. Noch höher ist die Verdampfungswärme bei den Metallen (starke [[metallische Bindung]]) und am höchsten bei den [[Salze]]n wegen der vergleichsweise extrem starken [[Ionische Bindung|Ionenbindung]].
Bei verflüssigten [[Edelgase]]n ist die Abtrennarbeit am kleinsten, da nur [[Van-der-Waals-Kräfte]] überwunden werden müssen, bei anderen Flüssigkeiten kommen [[Elektrisches Dipolmoment|Dipolmoment]] oder [[Wasserstoffbrückenbindung]] hinzu. Noch höher ist die Verdampfungsenthalpie bei den Metallen (starke [[metallische Bindung]]) und am höchsten bei den [[Salze]]n wegen der vergleichsweise extrem starken [[Ionische Bindung|Ionenbindung]].
[[Datei:Wasserkurve.svg|mini|350px|Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers]]
[[Datei:Wasserkurve.svg|mini|350px|Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers]]
Beispiel: Um ein Kilogramm Wasser bei 100&nbsp;°C und 1013&nbsp;mbar zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ''ΔU'' = 2088&nbsp;kJ aufzuwenden. Die Abtrennarbeit ist für Wasser wegen der [[Wasserstoffbrückenbindung]]en zwischen den Wassermolekülen relativ hoch.
Beispiel: Um ein Kilogramm Wasser bei 100&nbsp;°C und 1013&nbsp;mbar zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ''ΔW'' = 2088&nbsp;kJ aufzuwenden. Die Abtrennarbeit ist für Wasser wegen der [[Wasserstoffbrückenbindung]]en zwischen den Wassermolekülen relativ hoch.


== Verschiebungsarbeit im isobaren Fall ==
== Verschiebungsarbeit im isobaren Fall ==
Außerdem hängt der Betrag der zuzuführenden Verdampfungswärme von den Prozessbedingungen ab. Geschieht die Verdampfung oder Verdunstung [[Isobare Zustandsänderung|isobar]] bei konstantem Druck ''p'', wie es oft der Fall ist, so muss das entstehende Gas, um sich vom Flüssigkeitsvolumen ''V<sub>F</sub>'' auf das Gasvolumen ''V<sub>G</sub>'' auszudehnen, gegen den äußeren Druck ''p'' die [[Verschiebungsarbeit]] {{nowrap|''p·(V<sub>G</sub>-V<sub>F</sub>) = p ΔV''}} leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht: {{nowrap|''ΔQ<sub>v</sub> = ΔU + p·ΔV''.}}
Außerdem hängt der Betrag der zuzuführenden Verdampfungsenthalpie von den Prozessbedingungen ab. Geschieht die Verdampfung oder Verdunstung [[Isobare Zustandsänderung|isobar]] bei konstantem Druck ''p'', wie es oft der Fall ist, so muss das entstehende Gas, um sich vom Flüssigkeitsvolumen ''V<sub>F</sub>'' auf das Gasvolumen ''V<sub>G</sub>'' auszudehnen, gegen den äußeren Druck ''p'' die [[Verschiebungsarbeit]] {{nowrap|''p·(V<sub>G</sub>-V<sub>F</sub>) = p ΔV''}} leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht: {{nowrap|''ΔH<sub>v</sub> = ΔU + p·ΔV''.}}


Beispiel: Bei 100&nbsp;°C und 1013&nbsp;mbar hat ein Kilogramm Wasser im flüssigen Zustand ein Volumen von 1,04&nbsp;dm<sup>3</sup> und im gasförmigen Zustand ein Volumen von 1,673&nbsp;m<sup>3</sup>. Die Wasser-Konzentration in der Gasphase beträgt bei 100&nbsp;°C dann {{nowrap|598 g/m<sup>3</sup>}} (siehe [[Dampfdruckkurve]]).
Beispiel: Bei 100&nbsp;°C und 1013&nbsp;mbar hat ein Kilogramm Wasser im flüssigen Zustand ein Volumen von 1,04&nbsp;dm<sup>3</sup> und im gasförmigen Zustand ein Volumen von 1,673&nbsp;m<sup>3</sup>. Die Wasser-Konzentration in der Gasphase beträgt bei 100&nbsp;°C dann {{nowrap|598 g/m<sup>3</sup>}} (siehe [[Dampfdruckkurve]]).


[[Datei:Feuchte Luft.png|mini|420px|Die [[Sättigung (Physik)|Sättigungsmenge]] von [[Wasserdampf]] in [[Luft]] in Funktion der [[Temperatur]].]]
[[Datei:Feuchte Luft.png|mini|420px|Die [[Sättigung (Physik)|Sättigungsmenge]] von [[Wasserdampf]] in [[Luft]] in Funktion der [[Temperatur]].]]
Die Volumenzunahme beim Verdampfen beträgt also 1,672&nbsp;m<sup>3</sup> und die bei der Ausdehnung gegen den äußeren Luftdruck geleistete Verschiebungsarbeit 169 kJ. Die unter isobaren Verhältnissen bei 100&nbsp;°C und 1013&nbsp;mbar pro kg Wasser zuzuführende Verdampfungswärme beträgt daher ''ΔQ<sub>v</sub> = ΔU + p·ΔV'' = 2088&nbsp;kJ + 169&nbsp;kJ = 2257&nbsp;kJ = 2,257&nbsp;MJ.
Die Volumenzunahme beim Verdampfen beträgt also 1,672&nbsp;m<sup>3</sup> und die bei der Ausdehnung gegen den äußeren Luftdruck geleistete Verschiebungsarbeit 169 kJ. Die unter isobaren Verhältnissen bei 100&nbsp;°C und 1013&nbsp;mbar pro kg Wasser zuzuführende Verdampfungsenthalpie beträgt daher ''ΔH<sub>v</sub> = ΔU + p·ΔV'' = 2088&nbsp;kJ + 169&nbsp;kJ = 2257&nbsp;kJ = 2,257&nbsp;MJ.


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


== Verdampfungswärme und Verdampfungsenthalpie ==
== Verdampfungsenthalpie ==
<!--Dieser Abschnitt hier passt: Das Kapitel in Enthalpie verweist ausdrücklich mit "nähere Erläuterungen siehe" hierher -->
<!--Dieser Abschnitt hier passt: Das Kapitel in Enthalpie verweist ausdrücklich mit "nähere Erläuterungen siehe" hierher -->
:<small>[[Zustandsgröße|Zustands-]] und [[Prozessgröße]]n:</small>
:<small>[[Zustandsgröße|Zustands-]] und [[Prozessgröße]]n:</small>
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:Druck ''p'', Flüssigkeitsvolumen ''V<sub>F</sub>'', Gasvolumen ''V<sub>G</sub>''
:Druck ''p'', Flüssigkeitsvolumen ''V<sub>F</sub>'', Gasvolumen ''V<sub>G</sub>''
:[[Verschiebungsarbeit]] ''(W =) p ΔV'', [[Volumenänderungsarbeit]] ''W<sub>v</sub>''
:[[Verschiebungsarbeit]] ''(W =) p ΔV'', [[Volumenänderungsarbeit]] ''W<sub>v</sub>''
:[[Innere Energie]] ''U''&nbsp; (Abtrennarbeit ''ΔU''), Verdampfungswärme (zugeführte Energie) ''ΔQ<sub>v</sub>''
:[[Innere Energie]] ''U''&nbsp; (Abtrennarbeit ''ΔU'')


Die aus den [[Zustandsgröße]]n <math>U</math>, <math>p</math> und <math>V</math> gebildete Zustandsgröße
Die aus den [[Zustandsgröße]]n <math>U</math>, <math>p</math> und <math>V</math> gebildete Zustandsgröße
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also gleich der Enthalpieänderung des Systems
also gleich der Enthalpieänderung des Systems
:<math>\Delta Q_v = \Delta U + p\cdot\Delta V = \Delta H_v</math>
:<math>\Delta Q_v = \Delta U + p\cdot\Delta V = \Delta H_v</math>
und wird dann auch '''Verdampfungsenthalpie''' <math>\Delta H_v</math> genannt.
und wird entsprechend '''Verdampfungsenthalpie''' <math>\Delta H_v</math> genannt.


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


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Zahlreiche alltägliche Verdampfungs- und Verdunstungsvorgänge finden im [[Offenes System|offenen System]] unter isobaren und isothermen Bedingungen statt, weil die betreffenden Systeme dem atmosphärischen Luftdruck ausgesetzt sind.
Die Verwendung des Formelzeichens <math>\Delta Q_v</math> betont, dass die Energiezufuhr in Form von Wärme geschieht, Verwendung des Formelzeichens <math>\Delta H_v</math> betont, dass die Zustandsgröße Enthalpie des Systems verändert wird.


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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&nbsp;mbar). Die spezifische Verdampfungsenthalpie bezieht sich auf 1&nbsp;kg (bzw. 1&nbsp;g), die molare Verdampfungsenthalpie auf 1&nbsp;mol des verdampfenden Stoffs.
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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.

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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&nbsp;mbar). Die spezifische Verdampfungswärme bezieht sich auf 1&nbsp;kg (bzw. 1&nbsp;g), die Verdampfungsenthalpie auf 1&nbsp;mol des verdampfenden Stoffs.


Für beliebige Temperaturen kann die molare Verdampfungsenthalpie über den gemessenen Dampfdruck (des zu destillierenden Stoffs) mit der Beziehung von [[Clausius-Clapeyron-Gleichung|Clausius-Clapeyron]] berechnet werden ([[Sättigungsdampfdruck]]).
Für beliebige Temperaturen kann die molare Verdampfungsenthalpie über den gemessenen Dampfdruck (des zu destillierenden Stoffs) mit der Beziehung von [[Clausius-Clapeyron-Gleichung|Clausius-Clapeyron]] berechnet werden ([[Sättigungsdampfdruck]]).
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:<math>H_v = \left(50{,}09 - 0{,}9298 \cdot \frac{T}{1000} - 65{,}19 \cdot \left(\frac{T}{1000}\right)^2\right)\mathrm{\frac{kJ}{mol}}.</math>
:<math>H_v = \left(50{,}09 - 0{,}9298 \cdot \frac{T}{1000} - 65{,}19 \cdot \left(\frac{T}{1000}\right)^2\right)\mathrm{\frac{kJ}{mol}}.</math>


== Kondensationswärme ==
== Kondensationsenthalpie ==
[[Kondensation|Kondensiert]] das Gas unter denselben Bedingungen wieder, so wird die zum Verdampfen aufgewandte Verdampfungswärme in Form der betragsmäßig identischen [[Kondensationsenthalpie|Kondensationswärme]] auch wieder frei. Man spricht dann anschaulich davon, dass diese Energie in Form nicht fühlbarer ''Latentwärme'' im Gas gespeichert gewesen sei. Dabei handelt es sich jedoch nicht immer um [[thermische Energie]]. Stattdessen wird die Verdampfungswärme beim Verdampfen in technischen Prozessen teils in innere Energie überführt und teils als mechanische Arbeit an die Umgebung abgegeben.
[[Kondensation|Kondensiert]] das Gas unter denselben Bedingungen wieder, so wird die zum Verdampfen aufgewandte Verdampfungsenthalpie in Form der betragsmäßig identischen [[Kondensationsenthalpie]] auch wieder frei. Man spricht dann umgangsprachlich davon, dass diese Energie in Form nicht fühlbarer ''Latentwärme'' im Gas gespeichert gewesen sei. Dabei handelt es sich jedoch nicht um [[thermische Energie]], sondern um die Volumenänderungsarbeit (Abtrenn- und Verschiebungsarbeit), die bei der Verflüssigung durch die Abnahme des Volumens wieder frei wird.


== Sublimationswärme ==
== Sublimationsenthalpie ==
Bei der [[Sublimation (Physik)|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&nbsp;°C.
Bei der [[Sublimation (Physik)|Sublimation]] ([[Phasenumwandlung]] von fest nach gasförmig) spricht man von [[Sublimationsenthalpie|Sublimationsenhalpie]], die zusätzlich zur Verdampfungsenthalpie auch die [[Schmelzenthalpie]] des Stoffes beinhaltet. Auch Wasser kann sublimieren, daher trocknet Wäsche auch bei Temperaturen unter 0&nbsp;°C.


== Anwendungen ==
== Anwendungen ==
Die Verdampfungsenergie wird vor allem zum Wärmetransport genutzt.
Die Verdampfungsenthalpie wird vor allem zum Wärmetransport genutzt.
* [[Siedekühlung]]
* [[Siedekühlung]]
* Funktionsgrundlage des [[Kühlturm]]s („Rieselkühler“)
* Funktionsgrundlage des [[Kühlturm]]s („Rieselkühler“)
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* [[Weinkühler]]
* [[Weinkühler]]
* die Kühlung beispielsweise des menschlichen Körpers durch [[Schweiß|Schwitzen]].
* die Kühlung beispielsweise des menschlichen Körpers durch [[Schweiß|Schwitzen]].
* [[Kältemaschine]]/[[Wärmepumpe]]: die Verdampfungswärme wird an der (zu) kühlenden Seite aufgenommen (Verdampfer) und an der (zu) heizenden Seite abgegeben (Kondensation).
* [[Kältemaschine]]/[[Wärmepumpe]]: die Verdampfungsenthalpie wird an der (zu) kühlenden Seite aufgenommen (Verdampfer) und an der (zu) heizenden Seite abgegeben (Kondensation).
* Bei der [[Heizung]] durch [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennung]] fällt das Verbrennungsreaktionsprodukt Wasser gasförmig an, dabei wird die Verdampfungswärme im Wasserdampf im Abgas gebunden, [[Brennwertkessel]] können diese großteils zurückgewinnen.
* Bei der [[Heizung]] durch [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennung]] fällt das Verbrennungsreaktionsprodukt Wasser gasförmig an, dabei wird die Verdampfungsenthalpie im Wasserdampf im Abgas gebunden, [[Brennwertkessel]] können diese großteils zurückgewinnen.
Negativbeispiele sind:
Negativbeispiele sind:
* '''Verdunstungskälte''':
* '''Verdunstungskälte''':
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** Frieren bei nasser Haut oder Kleidung
** Frieren bei nasser Haut oder Kleidung
** Bei der Entnahme von Gas aus Flüssiggasbehältern, wie bei Kohlendioxid, Stickstoff und Propangas, kühlen die Rohrleitungen stark ab und müssen oft zum Beispiel mittels Metallrippen durch Konvektion der Umgebungsluft erwärmt werden.
** Bei der Entnahme von Gas aus Flüssiggasbehältern, wie bei Kohlendioxid, Stickstoff und Propangas, kühlen die Rohrleitungen stark ab und müssen oft zum Beispiel mittels Metallrippen durch Konvektion der Umgebungsluft erwärmt werden.
* Kondensationsenthalpie:
* Kondensationswärme:
** Bei der Verflüssigung von Gasen müssen hohe Energiemengen eingesetzt werden.
** Bei der Verflüssigung von Gasen müssen hohe Energiemengen eingesetzt werden.
** Die [[Dampfmaschine]] und auch das [[Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk|Gas- und Dampfkraftwerk]] (GuD) haben eine um die Verdampfungswärme des Wassers verminderten Wirkungsgrad, weil die Abwärme des [[Kondensator (Verfahrenstechnik)|Kondensator]]s (falls vorhanden) meist nicht genutzt wird.
** Die [[Dampfmaschine]] und auch das [[Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk|Gas- und Dampfkraftwerk]] (GuD) haben eine um die Verdampfungsenthalpie des Wassers verminderten Wirkungsgrad, weil die Abwärme des [[Kondensator (Verfahrenstechnik)|Kondensator]]s (falls vorhanden) meist nicht genutzt wird.


== {{Anker|Verdampfungsenthalpie}} Übersicht Verdampfungsenthalpien der chemischen Elemente ==
== {{Anker|Verdampfungsenthalpie}} Übersicht Verdampfungsenthalpien der chemischen Elemente ==


Spezifische Verdampfungsenthalpie ΔH<sub>v</sub> [kJ/g] und die molare Verdampfungsenthalpie [kJ/mol] der reinen [[Chemisches Element|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.
Spezifische Verdampfungsenthalpie ΔH<sub>v</sub> [kJ/g] und die molare Verdampfungsenthalpie ΔH<sub>v</sub> [kJ/mol] der reinen [[Chemisches Element|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.


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[[Kategorie:Thermodynamik]]
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Version vom 20. Oktober 2021, 09:58 Uhr

Die Verdampfungsenthalpie ΔHv ist diejenige Energie, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit zu verdampfen, also vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Die Energie kann dem System in Form von Wärme und/oder Arbeit zugeführt werden. Im offenen System ist die Verdampfung isotherm und isobar, während das Volumen des Stoffs zunimmt. Die Kondensation (Verflüssigung) als Umkehrung der Verdampfung setzt denselben Betrag an Energie wieder als Kondensationsenthalpie frei. Die Verdampfungsenthalpie ist ein wichtiger Stoffwert in der Dampfdruckkurve. Sie nimmt mit zunehmendem Druck und zunehmender Temperatur ab und wird am sogenannten "Kritischen Punkt" zu Null. Technisch wird die Verdampfungsenthalpie z. B. zur Kühlung angewendet.

Abtrennarbeit

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

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 Verdampfungsenthalpie 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 ΔW = 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 Verdampfungsenthalpie 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 VF auf das Gasvolumen VG auszudehnen, gegen den äußeren Druck p die Verschiebungsarbeit leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht:

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 Verdampfungsenthalpie beträgt daher ΔHv = ΔU + p·ΔV = 2088 kJ + 169 kJ = 2257 kJ = 2,257 MJ.

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

Verdampfungsenthalpie

Zustands- und Prozessgrößen:
Enthalpie H, Verdampfungsenthalpie ΔHV
Druck p, Flüssigkeitsvolumen VF, Gasvolumen VG
Verschiebungsarbeit (W =) p ΔV, Volumenänderungsarbeit Wv
Innere Energie U  (Abtrennarbeit ΔU)

Die aus den Zustandsgrößen , und gebildete Zustandsgröße

heißt Enthalpie. Ändern sich , und um die Beträge , und , so ändert sich um den Betrag

.

Bleibt der Druck, wie im hier betrachteten Fall, konstant, so ist

.

In diesem isobaren Fall ist die zugeführte und auf Abtrenn- sowie Verschiebungsarbeit verteilte Energie

also gleich der Enthalpieänderung des Systems

und wird entsprechend Verdampfungsenthalpie genannt.

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

Zahlreiche alltägliche Verdampfungs- und Verdunstungsvorgänge finden im offenen System unter isobaren und isothermen Bedingungen statt, weil die betreffenden Systeme dem atmosphärischen Luftdruck ausgesetzt sind.

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 Verdampfungsenthalpie bezieht sich auf 1 kg (bzw. 1 g), die molare Verdampfungsenthalpie auf 1 mol des verdampfenden Stoffs.

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

Tempe-
ratur in
°C		Verdampfungs-
enthalpie in
kJ mol−1		Bemerkung
00045,054
02543,990„Standardverdampfungsenthalpie“
04043,350
06042,482
08041,585
10040,657Normalsiedepunkt = 2,26 MJ/kg Wasser
12039,684alle Messungen >100 °C mit komprimiertem Wasserdampf
14038,643
16037,518
18036,304etwa 10 bar Wasserdampf
20034,962
22033,468
24031,809
26029,930
28027,795
30025,300
32022,297
34018,502
36012,966
37402,067annähernd kritische Temperatur

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:

Kondensationsenthalpie

Kondensiert das Gas unter denselben Bedingungen wieder, so wird die zum Verdampfen aufgewandte Verdampfungsenthalpie in Form der betragsmäßig identischen Kondensationsenthalpie auch wieder frei. Man spricht dann umgangsprachlich davon, dass diese Energie in Form nicht fühlbarer Latentwärme im Gas gespeichert gewesen sei. Dabei handelt es sich jedoch nicht um thermische Energie, sondern um die Volumenänderungsarbeit (Abtrenn- und Verschiebungsarbeit), die bei der Verflüssigung durch die Abnahme des Volumens wieder frei wird.

Sublimationsenthalpie

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

Anwendungen

Die Verdampfungsenthalpie wird vor allem zum Wärmetransport genutzt.

  • Siedekühlung
  • Funktionsgrundlage des Kühlturms („Rieselkühler“)
  • stromlos betreibbare „Verdunstungs-Kühlschränke“[1]
  • Weinkühler
  • die Kühlung beispielsweise des menschlichen Körpers durch Schwitzen.
  • Kältemaschine/Wärmepumpe: die Verdampfungsenthalpie wird an der (zu) kühlenden Seite aufgenommen (Verdampfer) und an der (zu) heizenden Seite abgegeben (Kondensation).
  • Bei der Heizung durch Verbrennung fällt das Verbrennungsreaktionsprodukt Wasser gasförmig an, dabei wird die Verdampfungsenthalpie im Wasserdampf im Abgas gebunden, Brennwertkessel können diese großteils zurückgewinnen.

Negativbeispiele sind:

  • 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, wie bei Kohlendioxid, Stickstoff und Propangas, kühlen die Rohrleitungen stark ab und müssen oft zum Beispiel mittels Metallrippen durch Konvektion der Umgebungsluft erwärmt werden.
  • Kondensationsenthalpie:
    • Bei der Verflüssigung von Gasen müssen hohe Energiemengen eingesetzt werden.
    • Die Dampfmaschine und auch das Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) haben eine um die Verdampfungsenthalpie des Wassers verminderten Wirkungsgrad, weil die Abwärme des Kondensators (falls vorhanden) meist nicht genutzt wird.

Übersicht Verdampfungsenthalpien der chemischen Elemente

Spezifische Verdampfungsenthalpie ΔHv [kJ/g] und die molare Verdampfungsenthalpie ΔHv [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:

chemisches Elementmolare Masse [g/mol]Siede­temp. [°C]ΔHv [kJ/mol]ΔHv [kJ/g]
1. Hauptgruppe
Wasserstoff (H2)[2]2,016−2530,900,446
Lithium[3]6,941134214621,0
Natrium[4]22,9988397,04,22
Kalium[5]39,1075979,92,04
Rubidium[6]85,4768872,20,845
Caesium[7]132,970567,70,510
Francium[8]223,0677640,29
2. Hauptgruppe
Beryllium[9]9,012247729232,4
Magnesium[10]24,3310901275,24
Calcium[11]40,0814841543,83
Strontium[12]87,6213821441,64
Barium[13]137,316401421,03
Radium[14]226,017371370,605
3. Hauptgruppe
Bor[15]10,81392749045,3
Aluminium[16]26,98246729310,9
Gallium[17]69,7222042593,71
Indium[18]114,820722322,02
Thallium[19]204,414731640,803
4. Hauptgruppe
Kohlenstoff (subl.)[20]12,01485071759,5
Silizium[21]28,09235538413,7
Germanium[22]72,6428203314,56
Zinn[23]118,726022962,49
Blei[24]207,217491780,858
5. Hauptgruppe
Stickstoff (N2)[25]28,02−1965,590,199
Phosphor[26]30,9727712,10,392
Arsen (subl.)[27]74,9261634,80,464
Antimon[28]121,8158777,10,634
Bismut[29]209,015641050,502
6. Hauptgruppe
Sauerstoff (O2)[30]32,00−1836,820,213
Schwefel[31]32,074459,60,30
Selen[32]221684,626,30,333
Tellur[33]127,645052,60,412
Polonium[34]209,09621200,574
7. Hauptgruppe
Fluor (F2)[35]38,00−1886,540,172
Chlor (Cl2)[36]70,90−3420,40,288
Brom (Br2)[37]159,8+5929,60,193
Iod (I2)[38]253,8+18441,90,164
Astat[39]210,0+337300,14
8. Hauptgruppe
Helium[40]4,003−2690,0840,0211
Neon[41]20,18−2461,730,0859
Argon[42]39,95−1866,450,161
Krypton[43]83,80−1539,030,108
Xenon[44]131,3−10812,60,0962
Radon[45]222,0−6216,40,0739

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)

chemisches Elementmolare Masse [g/mol]Siede­temp. [°C]ΔHv [kJ/mol]ΔHv [kJ/g]
Scandium[46]44,9628303146,99
Titan[47]47,8732874218,80
Vanadium[48]50,9434094528,87
Chrom[49]52,0026723446,62
Mangan[50]54,9419622264,11
Eisen[51]55,8527503506,26
Cobalt[52]58,9329273776,39
Nickel[53]58,6929133706,31
Kupfer[54]63,5525673004,73
Zink[55]65,419071151,76
Yttrium[56]88,9133363634,08
Zirconium[57]91,2244095916,47
Niob[58]92,9147446977,50
Molybdän[59]95,9446395986,23
Technetium[60]98,9148776606,67
Ruthenium[61]101,141505955,89
Rhodium[62]102,936954934,79
Palladium[63]106,429633573,35
Silber[64]107,921622512,32
Cadmium[65]112,47671000,890
Lanthan[66]138,934574142,98
Cer[67]140,134264142,95
Praseodym[68]140,935202972,11
Neodym[69]144,231002731,89
Promethium[70]146,93-35002901,97
Samarium[71]150,418031661,11
Europium[72]152,015271440,944
Gadolinium[73]157,332503592,29
Terbium[74]158,932303312,08
Dysprosium[75]162,525672301,42
Holmium[76]164,926952411,46
Erbium[77]167,325101931,15
Thulium[78]168,919471911,13
Ytterbium[79]173,011941270,733
Lutetium[80]175,033953562,03
Hafnium[81]178,546035753,22
Tantal[82]180,954587434,11
Wolfram[83]183,855558244,48
Rhenium[84]186,255967153,84
Osmium[85]190,250126283,30
Iridium[86]192,244286043,14
Platin[87]195,138275102,61
Gold[88]197,028563341,70
Quecksilber[89]200,635759,20,295
Actinium[90]227,032002931,29
Thorium[91]232,047885142,22
Protactinium[92]231,040274702,03
Uran[93]238,041344231,78
Neptunium[94]237,03902k. A.–
Plutonium[95]244,133273251,33
Americium[96]243,126072390,981
Curium[97]247,13110k. A.–

Literatur

  • Roy Bergdoll, Sebastian Breitenbach: Die Roten Hefte, Heft 1 – Verbrennen und Löschen. 18. Auflage. Kohlhammer, Stuttgart 2019, ISBN 978-3-17-026968-2.
Wiktionary: Verdampfungsenthalpie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Verdunstungskühlschrank
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  33. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  34. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
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  36. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  37. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  38. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  39. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  40. ↑ Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337; doi:10.1021/je1011086.
  41. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  42. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  43. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  44. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  45. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  46. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  47. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
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  49. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
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  69. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  70. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
  71. ↑ lev.shuttle.de (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt
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