Spezifische Verdampfungswärme

Im vorangegangenen Abschnitt wurde erläutert, dass sich beim Verdampfen von Wasser zwar die Wassertemperatur nicht erhöht, aber dennoch weiter Wärmeenergie zugeführt werden muss, wenn der Aggregatzustand weiter geändert werden soll. Um zu ermitteln welche Wärmemenge für den Verdampfungsprozess von Wasser nötig ist, kann der unten abgebildete Versuchsaufbau genutzt werden. Hierzu wird Wasser mit einem Tauchsieder zunächst auf Siedetemperatur erwärmt und anschließend das zeitliche Verdampfen der Wassermasse anhand einer Waage beobachtet.

Spezifische Verdampfungswärme, Verdampfung, verdampfen, Sieden, Aggregatzustandsänderung, latente Wärme, Tauchsieder, Waage

Interaktive Abbildung: Versuchsaufbau zur Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme von Wasser

Dabei stellt man im Experiment fest, dass die verdampfende Masse \(m_V\) kontinuierlich zunimmt bzw. die flüssige Wassermasse abnimmt, wobei die Temperatur dabei konstant bleibt. Die zugeführte Wärme kommt also ausschließlich der Aggregatzustandsänderung zugute und nicht der Erhöhung der Temperatur!

Die während der Verdampfung zugeführte Wärmemenge wird auch als Verdampfungswärme \(Q_V\) bezeichnet. Wie auch bereits im Abschnitt spezifische Wärmekapazität erläutert, kann die zugeführte Wärmeenergie und damit die Verdampfungswärme \(Q_V\) über die elektrische Leistung \(P\) des Tauchsieder ermittelt werden, die im Idealfall vollständig in Wärmeleistung umgesetzt wird. Die mit einer Wärmeleistung \(P\) umgesetzt Wärmeenergie \(Q_V\) ergibt sich dabei über die Dauer \(t\) der Wärmezufuhr (Betriebsdauer des Tauchsieders):

\begin{align}\;\;\;\;\;
Q_V = P \cdot t \\[5px]
\end{align}

Aufgrund des linearen Anstiegs der verdampften Masse über die Zeit hinweg wird deutlich, dass die Zufuhr einer bestimmten Verdampfungswärme \(Q_V\) immer stets zur selben verdampfenden Masse \(m_V\) führt [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung]. Der lineare Anstieg zeigt ebenfalls, dass bspw. für eine doppelt bzw. dreifach so große zu verdampfende Masse auch die doppelte bzw. dreifache Verdampfungswärme erforderlich ist. Verdampfungswärme \(Q_V\) und zu verdampfende Masse \(m_V\) sind folglich proportional zueinander. Das Verhältnis von Verdampfungswärme und verdampfende Masse ist damit konstant und wird als spezifische Verdampfungswärme \(q_V\) bezeichnet:

\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed{q_V = \frac{Q_V}{m_V}}~~~[q_V]=\frac{\text{J}}{\text{kg}}~~~~~\text{spezifische Verdampfungswärme} \\[5px]
\end{align}

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Abbildung: Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme von Wasser

Die spezifische Verdampfungswärme ist zum einen vom zu verdampfenden Stoff abhängig und zum anderen vom äußeren Luftdruck, welcher auch die Verdampfungstemperatur beeinflusst! Da jedoch die meisten Verdampfungsvorgänge bei Umgebungsdruck von 1 bar durchgeführt werden, werden die spezifischen Verdampfungswärmen meist hierauf bezogen angegeben.

Bei einem Umgebungsdruck von 1 bar beträgt die spezifische Verdampfungswärme von für Wasser bspw. 2257 \(\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\), d.h. dass für das Verdampfen von einer Wassermasse von 1 Kilogramm eine Verdampfungswärme von 2257 kJ zugeführt werden muss.

Als stoff- und druckabhängige Kenngröße beschreibt die spezifische Verdampfungswärme \(q_V\) also den gesuchten Zusammenhang zwischen der zu verdampfenden Masse \(m_V\) und der hierfür benötigten Verdampfungswärme \(Q_V\):

\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed{Q_V = q_V \cdot m_V} \\[5px]
\end{align}

Je größer die spezifische Verdampfungswärme eines Stoffes, desto mehr Wärme ist nötig um eine bestimmte Masse zu verdampfen. Stoffe mit großen spezifischen Verdampfungswärmen verdampfen also bei Wärmezufuhr nicht so schnell. Die Verdampfungskurven im Diagramm verlaufen entsprechend flacher.

  Stoff  Siedetemperatur
in °C
 Spezifische Verdampfungswärme
\(q_V\) in \(\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\)
 Feststoffe Aluminium  2450 10500
Blei 1750 870
Eisen 2865 6300
       
  Flüssigkeiten Ethanol 78 845
Quecksilber 357 290
Wasser 100 2257
       
     Gase Ammoniak -33 1370
Butan -1 380
Propan -42 430

Tabelle: Siedetemperaturen und spezifische Verdampfungswärmen ausgewählter Stoffe (bei 1 bar)

Anmerkung: Nicht bei allen Flüssigkeiten bleibt die Temperatur während einer Verdampfung konstant! So verdampft bspw. Petroleum als Gemisch verschiedener Stoffe nicht bei einem fest definierten Siedepunkt sondern innerhalb eines Siedebereichs. Dieser liegt im Falle von Petroleum bei 180 °C bis 330 °C. Die zugeführte Wärme während der Aggregatzustandsänderung wird also sowohl für die Erhöhung der Temperatur als auch für den Verdampfungsprozess genutzt. Damit lässt sich nicht genau zuordnen welcher Anteil der zugeführten Wärme nun der Temperaturerhöhung bzw. der Verdampfung zugutekommt. Somit kann einem solchen Stoffgemisch auch keine (spezifische) Verdampfungswärme zugeordnet werden. Im Allgemeinen tritt ein solcher Siedebereich bei Stoffgemischen auf, während hingegen Reinstoffe in der Regel einen Siedepunkt aufweisen.

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