AI tools
Loading AI tools

Die Verdampfungsenthalpie ΔHv, nicht-fachsprachlich auch Verdampfungswärme, im Zusammenhang mit Verdunstung umgangssprachlich Verdunstungskälte genannt, ist diejenige Energie, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit zu verdampfen, also vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Die Kondensation (Verflüssigung) als Umkehrung der Verdampfung setzt denselben Betrag an Energie wieder als Kondensationsenthalpie (früher auch als Kondensationswärme oder latente Wärme bezeichnet) frei.

Thumb
Sprühnebel-Gebläse werden zur Kühlung der Luft in öffentlichen Räumen genutzt. Die zum Verdunsten der Wassertropfen benötigte Verdampfungsenthalpie wird der Umgebungsluft entzogen, die sich dadurch abkühlt.

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 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 gespeicherten und bei der Kondensation wieder frei werdenden Energie.

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 größer ist die Verdampfungsenthalpie bei den Metallen (starke metallische Bindung) und am größten bei den Salzen wegen deren sehr starker Ionenbindung.

Thumb
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. Dieser vergleichsweise hohe Wert resultiert aus den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen im flüssigen Aggregatzustand.

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 p·(VG-VF) = p ΔV leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht: ΔHv = ΔU + p·ΔV (Erläuterung der Formelzeichen im folgenden Kapitel).

Beispiel: Bei 1013 mbar (Normaldruck) und 100 °C (Siedepunkt bei Normaldruck) hat ein Kilogramm Wasser

  • im flüssigen Zustand ein Volumen von 1,04 dm3 = 0,00104 m3
  • im gasförmigen Zustand ein Volumen von 1,673 m3; dies entspricht einer Wasser-Konzentration bzw. Dichte der Gasphase bzw. des Wasserdampfes von 598 g/m3 (siehe Dampfdruckkurve).

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.

Zugehörige thermodynamische Größen

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

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 ΔHv 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.

Thumb
Temperaturabhängigkeit der Verdampfungs­enthalpie von Wasser, Methanol, Benzol und Aceton

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

Weitere Informationen Tempe-ratur in °C, Verdampfungs-enthalpie in kJ mol−1 ...
Tempe-
ratur in
°C		Verdampfungs-
enthalpie in
kJ mol−1		Bemerkung
00045,054
02543,990häufige Tabellierungstemperatur
04043,350
06042,482
08041,585
10040,657Normalsiedepunkt
18036,3041 MPa (10 bar) Druck
≈ 374000022 MPa, kritischer Punkt
Schließen

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 umgangssprachlich 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 diejenige Energie (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 Sublimationsenthalpie, die zusätzlich zur Verdampfungsenthalpie auch die Schmelzenthalpie des Stoffes beinhaltet. Auch Wassereis kann sublimieren, daher trocknet Wäsche auch bei Temperaturen unter 0 °C.

Anwendungen

Thumb
Verdunstungskälte eines teilweise nassen Handtuchs mit der Wärmebildkamera gesehen

Die Verdampfungsenthalpie wird vor allem zum Wärmetransport genutzt.

  • Siedekühlung
  • Funktionsgrundlage des Kühlturms („Rieselkühler“)
  • stromlos betreibbare „Verdunstungs-Kühlschränke“[1]
  • 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 von Kohlenwasserstoffen fällt das Wasser als Reaktionsprodukt der Verbrennung gasförmig an. Dessen Verdampfungsenthalpie ist im Abgas gespeichert. Brennwertkessel kondensieren den Wasserdampf zum größten Teil und gewinnen die dabei frei werdende Kondensationsenthalpie zurück.

Negativbeispiele sind:

  • Verdunstungskälte:
    • weiteres Abkühlen der Autoscheiben bei fahrtwindbegünstigter Verdunstung alkoholhaltiger Scheibenwaschzusätze; 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:
    • Zur Verflüssigung von Gasen müssen hohe Energiemengen zur Kühlung und/oder zur Erhöhung des Drucks eingesetzt werden, weil Gase unter Umgebungsdruck erst bei sehr niedrigen Temperaturen kondensieren.
    • 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.
    • Tropische Wirbelstürme beziehen ihre Energie hauptsächlich aus der Wärme, die bei der Kondensation riesiger Wassermassen freigesetzt 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:

Weitere Informationen Chemisches Element, molareMasse (g/mol) ...
Chemisches
Element		 molare
Masse
(g/mol)		 Siede-
temp.
(°C)		 Δhv
(kJ/mol)		 Δhv
(kJ/g)
1. Hauptgruppe
Wasserstoff (H2)[2]002,016−253000,9000,446
Lithium[3]006,941134214621,0
Natrium[4]022,990883097,004,22
Kalium[5]039,100759079,902,04
Rubidium[6]085,470688072,200,845
Caesium[7]0132,90705067,700,510
Francium[8]223,0067706400,29
2. Hauptgruppe
Beryllium[9]009,012247729232,4
Magnesium[10]024,33109012705,24
Calcium[11]040,08148415403,83
Strontium[12]087,62138214401,64
Barium[13]137,3164014201,03
Radium[14]226,0173713700,605
3. Hauptgruppe
Bor[15]010,81392749045,3
Aluminium[16]026,98246729310,9
Gallium[17]069,72220425903,71
Indium[18]114,8207223202,02
Thallium[19]204,4147316400,803
4. Hauptgruppe
Kohlenstoff (subl.)[20]12,01485071759,5
Silizium[21]028,09235538413,7
Germanium[22]072,64282033104,56
Zinn[23]118,7260229602,49
Blei[24]207,2174917800,858
5. Hauptgruppe
Stickstoff (N2)[25]028,02−196005,5900,199
Phosphor[26]030,970277012,100,392
Arsen (subl.)[27]074,920616034,800,464
Antimon[28]121,81587077,100,634
Bismut[29]209,0156410500,502
6. Hauptgruppe
Sauerstoff (O2)[30]032,00−183006,8200,213
Schwefel[31]032,070445009,600,30
Selen[32]2210684,6026,300,333
Tellur[33]127,60450052,600,412
Polonium[34]209,0096212000,574
7. Hauptgruppe
Fluor (F2)[35]038,00−188006,5400,172
Chlor (Cl2)[36]070,900−34020,400,288
Brom (Br2)[37]159,80+59029,600,193
Iod (I2)[38]253,8+184041,900,164
Astat[39]210,0+33703000,14
8. Hauptgruppe
Helium[40]004,003−269000,08400,0211
Neon[41]020,18−246001,7300,0859
Argon[42]039,95−186006,4500,161
Krypton[43]083,80−153009,0300,108
Xenon[44]131,3−108012,600,0962
Radon[45]222,00−62016,400,0739
Schließen

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)

Weitere Informationen Chemisches Element, molareMasse (g/mol) ...
Chemisches
Element		 molare
Masse
(g/mol)		 Siede-
temp.
(°C)		 Δhv
(kJ/mol)		 Δhv
(kJ/g)
Periode 4
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]65,4109071151,76
Periode 5
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]112,407671000,890
Periode 6
Lanthan[66]138,934574142,98
Cer[67]140,134264142,95
Praseodym[68]140,935202972,11
Neodym[69]144,231002731,89
Promethium[70]146,930002901,97
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]200,60357059,20,295
Periode 7
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.–
Schließen

Literatur

  • Roy Bergdoll, Sebastian Breitenbach: Verbrennen und Löschen (= Die Roten Hefte. Heft 1). 18. Auflage. Kohlhammer, Stuttgart 2019, ISBN 978-3-17-026968-2.}

Einzelnachweise

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.

Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.

Chrome
Wikiwand for Chrome
Edge
Wikiwand for Edge
Firefox
Wikiwand for Firefox