Verdampfen und Kondensieren

Hallo und herzlich willkommen. Heute wollen wir uns anschauen was passiert, wenn ein Stoff verdampft oder kondensiert. Um das zu verstehen, müssen wir folgende Phänomene näher betrachten. Was bedeutet flüssig, beziehungsweise gasförmig im physikalischen Sinne? Was passiert in einem Stoff beim Übergang von flüssig zu gasförmig, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig? Und was ist die Verdampfungswärme? Alle Stoffe, die wir auf der Erde finden, sind aus ganz kleinen Teilchen aufgebaut. Wir nennen einen Stoff flüssig, wenn sich die Teilchen in ihm bewegen können. Aber zwischen den Teilchen herrscht eine Anziehung. Sie können sich also nicht völlig frei bewegen. Ist ein Stoff gasförmig, so besteht kaum eine Anziehung zwischen den Teilchen. Sie können sich völlig frei bewegen und füllen immer den gesamten ihnen zur Verfügung stehenden Raum aus. Erwärmt man eine Flüssigkeit bis auf eine bestimmte Temperatur, so verdampft sie und wird gasförmig. Diesen Vorgang nennt man auch Sieden. Um ein Gas in eine Flüssigkeit umzuwandeln muss man es abkühlen. Den Übergang von gasförmig zu flüssig nennt man Kondensieren. Beim Nudelkochen kann man das schön beobachten. Am Boden des Topfes wird das Wasser heiß, es bilden sich Blasen aus Wasserdampf, welche aufsteigen. Am Deckel kühlt dieser Wasserdampf dann wieder ab und kondensiert. Man sieht es an den Tropfen, die sich dort mit der Zeit bilden. Außerdem kann man sehen, dass sich der Deckel des Topfes bewegt. Das kommt daher, dass sich das Wasser beim Sieden ausdehnt und der Wasserdampf dann mehr Volumen hat. Die Siedetemperatur und die Kondensationstemperatur eines Stoffes sind immer gleich. Jeder Stoff hat seine eigene Temperatur, bei der er siedet oder kondensiert. Helium zum Beispiel siedet schon bei -268°C, deshalb kennen wir es aus unserer Umwelt auch nur als Gas. Ammoniak siedet bei -33°C. Reiner Alkohol bei 78°C und Wasser, wie du vielleicht schon weißt, siedet bei 100°C. Metalle haben allgemein einen sehr hohen Siedepunkt. Eisen zum Beispiel verdampft erst bei 2880°C. Die Siedetemperaturen die du hier siehst gelten allerdings nur bei Normaldruck. Das heißt bei einem Druck von 1,013 bar. Sinkt der Druck, so sinkt auch die Siedetemperatur. Auf dem Mount Everest kann man deshalb keine Eier kochen, da der Druck in der Höhe so niedrig ist, dass das Wasser schon bei siebzig Grad siedet und dann nicht heiß genug ist, um das Ei zu kochen. Steigt der Druck, so steigt auch die Siedetemperatur. Das macht man sich zum Beispiel bei Schnellkochtöpfen zum Nutzen. In ihnen herrscht ein hoher Druck, sodass das Wasser erst bei Temperaturen deutlich über hundert Grad Celsius kocht. Das Essen wird aufgrund der höheren Temperatur schneller gar. Nun wollen wir klären, was man unter dem Begriff „Verdampfungswärme“ versteht. Dazu folgendes Experiment: Wir nehmen ein Becherglas und füllen es mit einer abgemessenen Menge an Wasser. In das Wasser geben wir dann eine elektrischen Heizwendel und ein Thermometer. Die Leistung der Heizwendel ist dabei bekannt. Wir wissen also, wie viel Wärme die Heizwendel pro Sekunde an das Wasser abgibt. Jetzt schalten wir die Heizwendel ein und lesen in immer gleichen Zeitschritten die Temperatur Theta am Thermometer ab. Aus der gemessenen Zeit t und der Leistung der Heizwendel P können wir die zugeführte Wärme Q berechnen. Es gilt: Q=P*t. Erstellen wir ein Q-Theta-Diagramm, in dem die Temperatur Theta des Wassers in Grad Celsius gegen die zugeführte Wärme in Joule aufgetragen wird, sehen wir, dass die Temperatur gleichmäßig bis auf einen Wert von 100°C steigt. Die Temperatur steigt also bis das Wasser zu sieden beginnt. Dann bleibt sie aber konstant, obwohl wir weiter Wärme zuführen. Die gesamte zugeführte Wärme bewirkt ausschließlich ein Verdampfen des Wassers. Warum ist das so und wo geht diese Wärme hin? Wie wir eingangs schon gesehen haben sind die Teilchen in einer Flüssigkeit nahe beieinander und es wirken anziehende Kräfte zwischen ihnen. In einem Gas sind die Teilchen weiter voneinander entfernt und es existiert kaum eine Anziehung. Um eine Flüssigkeit in ein Gas umzuwandeln müssen wir die Teilchen also voneinander entfernen und die anziehenden Kräfte überwinden. Dafür benötigen wir Energie. Diese zugeführte Energie in Form von Wärme bewirkt aber keinen Anstieg der Temperatur, da sie komplett für die Überwindung der anziehenden Kräfte benötigt wird und somit keine Änderung der Geschwindigkeit der Teilchen verursacht. Um dem Ganzen einen Namen zu geben, nennt man die für das Verdampfen eines Stoffes nötige Energie Verdampfungswärme. Außerdem zieht man hier auch, dass bei gleicher Stoffmenge das Volumen des Gases größer ist als das der Flüssigkeit. Da die Teilchen des Gases weiter voneinander entfernt sind und sich frei im ganzen Raum bewegen. Das Volumen des Gases ist dabei ein- bis zweitausend Mal größer als das der Flüssigkeit. Um eine größere Menge eines Stoffes zu verdampfen muss man natürlich auch mehr Wärme zuführen, da mehr Teilchen voneinander entfernt und Kräfte zwischen ihnen überwunden werden müssen. Um die Verdampfungswärme besser vergleichen zu können definiert man die spezifische Verdampfungswärme. Die spezifische Verdampfungswärme hat das Formelzeichen klein q_v. Die Verdampfungswärme wird mit groß Q_v abgekürzt. Die spezifische Verdampfungswärme gibt an, wie viel Wärme man zuführen muss um ein Kilo eines bestimmten Stoffes zu verdampfen. Die Einheit dieser spezifischen Verdampfungswärme wird in Kilojoule pro Kilogramm angegeben. Die Verdampfungswärme gibt an, wie viel Wärme man zuführen muss um eine bestimmte Stoffmenge zu verdampfen. Sie wird in Joule angegeben. Um die gesamte Wärme zu berechnen, die zugeführt werden muss um eine gewisse Menge eines Stoffes zu schmelzen, multipliziert man die spezifische Verdampfungswärme mit der Masse. Dabei ist darauf zu achten, dass die Masse in der richtigen Einheit angegeben ist. Und damit kommen wir zurück zu unserem Versuch. Um die spezifische Verdampfungswärme von Wasser zu bestimmen, lesen wir aus unserem Q-Theta-Diagramm ab, wie viel Wärme nach Erreichen der hundert Grad zugeführt wurde. Dazu subtrahieren wir von der gesamten zugeführten Wärme Q_max den Teil, der zugeführt wurde um das Wasser auf 100°C zu erhitzen. Q(100°C). Die so berechnete Wärme entspricht der Verdampfungswärme groß Q_v. Um festzustellen, wie groß die Masse des verdampften Wassers ist, messen wir zusätzlich die Masse m_Anfang des Wassers vor dem Einschalten der Heizwendel. Und die Masse m_Ende nach dem Ausschalten der Heizwendel. So können wir durch Bildung der Differenz berechnen, wie viel Kilogramm Wasser mit welcher Wärmemenge verdampft wurden. Teilen wir nun die Verdampfungswärme durch die Masse des verdampften Wassers, entspricht das Ergebnis der spezifischen Verdampfungswärme. Und hier noch die spezifischen Verdampfungswärmen einiger Stoffe. Bei Helium sind es einundzwanzig Kilojoule pro Kilogramm. Bei Ethanol sind es 845 Kilojoule pro Kilogramm. Bei Gold sind es 1587 Kilojoule pro Kilogramm. Und bei Wasser sind es sogar 2256 Kilojoule pro Kilogramm. Mit der gleichen Energie, die man benötigt um ein Kilo Wasser zu verdampfen, könnte man etwas mehr als fünf Kilo Wasser um hundert Grad erhitzen. Man muss Flüssigkeiten aber nicht unbedingt auf ihre Siedetemperatur erhitzen, damit sie in den gasförmigen Zustand übergehen. Das kannst du ganz einfach selbst testen, indem du zwei Gläser mit Wasser ein paar Tage in dein Zimmer stellst. Eines davon deckst du ab. Eines lässt du offen. Nach einigen Tagen wird dir auffallen, dass weniger Wasser im unabgedeckten Glas ist. Das liegt daran, dass sich die Teilchen in einer Flüssigkeit bewegen. Nicht alle Teilchen haben dabei die gleiche Geschwindigkeit. Einige sind schneller als die anderen. Die besonders schnellen sind in der Lage, die Oberfläche der Flüssigkeit zu verlassen und gehen als Dampf in die Luft über. Die langsamen bleiben zurück. Das nennt man dann Verdunstung. Dadurch wird die Flüssigkeit kälter, da eine kleinere Durchschnittsgeschwindigkeit der Teilchen gleichbedeutend ist mit einer geringeren Temperatur. Die Energie, die die Flüssigkeit dadurch verliert, nennt man Verdunstungswärme. Aufgrund des Temperaturausgleichs zwischen Flüssigkeit und Umgebung, wird so auch die Umgebung gekühlt. Im abgedeckten Glas entweichen auch Teilchen aus dem Wasser. Aber bald sind so viele Wasserteilchen in dem Luftraum über dem Glas, dass einige von ihnen wieder in das Wasser gelangen. Es stellt sich mit der Zeit ein Gleichgewicht ein. Genauso viele Teilchen, die das Wasser verlassen, kehren aus der Luft zurück. Es verdunstet kein Wasser mehr. Im offenen Glas kann sich ein solches Gleichgewicht nicht einstellen. So verdunstet nach und nach das komplette Wasser. Einen ähnlichen Effekt gibt es auch bei festen Körpern. Dort nennt man den direkten Übergang von fest zu gasförmig Sublimation. Unter Normalbedingung kann das bei Kohlenstoff beobachtet werden. Den kühlenden Effekt der Verdunstung hat sich auch die Natur zu Nutze gemacht. Wenn wir schwitzen bildet sich eine Wasserschicht auf unserer Haut, die nach und nach verdunstet und die Haut so kühlt. Was haben wir heute gelernt? Um eine Flüssigkeit zu verdampfen, muss man ihr Wärme zuführen. Die Temperatur steigt dabei nicht mehr an. Wie viel Wärme man benötigt um eine bestimmte Menge eines Stoffes zu verdampfen ist für jeden Stoff unterschiedlich und wird mit der spezifischen Verdampfungswärme angegeben. Flüssigkeiten können auch unterhalb der Siedetemperatur in ihren gasförmigen Aggregatzustand übergehen, was als Verdunstung bezeichnet wird. Dabei verlassen die schnellen Teilchen die Flüssigkeit, wodurch diese abkühlt. Ähnliche Prozesse können auch bei Festkörpern auftreten. Dann nennt man den Vorgang Sublimation. So, das war's auch schon zum Thema Verdampfen und Kondensieren. Ich hoffe, ihr habt etwas gelernt und bis zum nächsten Mal.