Verdampfungswärme Definition
Auch bekannt als Verdampfungsenthalpie, ist die Verdampfungswärme (∆Hvap) definiert durch die Menge an Enthalpie (Wärmeenergie), die erforderlich ist, um eine flüssige Substanz in ein Gas oder einen Dampf umzuwandeln. Sie wird in Joule pro Mol (J/mol) oder manchmal auch in Kalorien (C) gemessen.
Verdampfungswärme erklärt
Die Verdampfungswärme hat immer einen positiven Wert, weil einem System immer Enthalpie zugeführt wird, um eine Flüssigkeit zu verdampfen. Je mehr kinetische Energie die Moleküle gewinnen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich von der Flüssigkeit trennen und zu einem Gas werden.
Die erforderliche Zunahme der inneren Energie kann als die Energie beschrieben werden, die benötigt wird, um die zwischenmolekularen Wechselwirkungen in der Flüssigkeit aufzubrechen. Je schwächer die Bindungen zwischen den Atomen sind, desto weniger Energie ist erforderlich, um diese Bindungen aufzubrechen.
Die erforderliche Energiemenge ist eine Funktion des Drucks, bei dem die Umwandlung stattfindet, und ist temperaturabhängig. Je heißer die Flüssigkeit bereits ist, desto weniger Energie wird benötigt. Bei höherem Druck wird mehr Energie benötigt. Es gibt eine kritische Temperatur, bei der die Verdampfungswärme verschwindet (Tr=1). Jenseits dieser kritischen Temperatur ist der Stoff weder als Flüssigkeit noch als Dampf zu erkennen. Stattdessen wird sie als überkritisches Fluid bezeichnet.
In einer Lösung, die sowohl den flüssigen als auch den gasförmigen Zustand enthält, ist die kinetische Energie des Dampfes höher als die der Flüssigkeit, weil die Dampfteilchen leichter fließen können. Die größere Bewegung der Gasteilchen im Vergleich zu den flüssigen Teilchen erzeugt Wärme und Druck.
Verdampfungswärme-Formel
Eine sehr einfache Gleichung zur Berechnung der Verdampfungswärme lautet:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Damit wird der Unterschied der inneren Energie der Dampfphase im Vergleich zur flüssigen Phase berechnet.
Diese Gleichung berücksichtigt jedoch nicht die zusätzliche Energie, die die Gasteilchen benötigen, um sich gegen den atmosphärischen Druck zu stemmen, um die Volumenvergrößerung beim Sieden einer Flüssigkeit zu ermöglichen.
Eine vollständigere Gleichung zur Berechnung der Verdampfungswärme lautet daher:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Wobei ΔUvap die Differenz der inneren Energie zwischen der Dampfphase und der flüssigen Phase ist (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), und pΔV die gegen den Umgebungsdruck geleistete Arbeit ist.
Verdampfungswärme von Wasser
Wasser hat eine hohe spezifische Wärme. Dieses Maß beschreibt die Energiemenge, die nötig ist, um die Temperatur von Wasser um 1 Grad Celsius zu erhöhen. Als solches hat Wasser auch eine hohe Verdampfungswärme. Tatsächlich benötigt Wasser über 40.000 Joule pro Mol, um zu verdampfen. Dies ist für das Leben auf der Erde äußerst wichtig.
Da die Erde zum größten Teil aus Wasser besteht, werden große Veränderungen in der Menge der Sonnenenergie, die die Erde erhält, durch Wasser ausgeglichen. Wasser nimmt die Wärme langsam auf und gibt sie bei geringerer Sonneneinstrahlung wieder ab. Dies trägt dazu bei, drastischen Temperaturschwankungen entgegenzuwirken, die für das Leben verheerend wären. Wenn die Welt dagegen hauptsächlich aus Ethanol bestünde, würde die Temperatur schnell schwanken, da Ethanol eine viel geringere Verdampfungswärme und spezifische Wärme hat.
Diese hohe Verdampfungswärme reicht jedoch möglicherweise nicht aus, um die Temperatur angesichts menschlicher Aktivitäten zu regulieren. Der Klimawandel und insbesondere die globale Erwärmung führen der Atmosphäre viel Wärme zu. Der Ozean kann zwar einen großen Teil dieser Wärme absorbieren, hat aber auch seine Grenzen. Außerdem dehnen sich die Moleküle aus, wenn der Ozean Wärme absorbiert. Diese Ausdehnung wird zu einem Großteil der Überschwemmungen führen, die derzeit von Klimawissenschaftlern geschätzt werden.
Unterschiede in der Verdampfungswärme
Die wichtigsten Einflüsse auf die Verdampfungswärme sind die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen in einer Lösung. In einer Flüssigkeit bewegen sich die Moleküle aneinander vorbei, stehen aber ständig in Wechselwirkung. Einige bilden Wasserstoffbrückenbindungen, während andere Stoffe andere Arten von leichten Bindungen zwischen den Molekülen eingehen. Diese Bindungen enthalten Energie und halten die Flüssigkeit in einem niedrigeren Energiezustand. Die Verdampfungswärme beschreibt, wie viel Energie benötigt wird, um diese Bindungen zu lösen.
Wasser hat eine hohe Verdampfungswärme, weil sich zwischen dem Sauerstoff eines Moleküls und den Wasserstoffen anderer Moleküle leicht Wasserstoffbrücken bilden. Diese Bindungen halten die Moleküle zusammen. Um Wasser zum Verdampfen zu bringen, muss man die Temperatur erhöhen, damit sich die Moleküle schneller bewegen. An einem bestimmten Punkt beginnen die Moleküle, sich von der Flüssigkeit zu lösen und zu verdampfen.
Metalle haben eine noch höhere Verdampfungswärme. Viele Metalle gehen komplexe Wechselwirkungen mit anderen Metallatomen ein. Dadurch werden die Moleküle noch fester zusammengehalten als Wassermoleküle. Daher ist die Verdampfungswärme von Metallen viel höher als die von Wasser.