Verdampfungsenthalpie

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Die Verdampfungsenthalpie ΔHv, umgangssprachlich, aber fachsprachlich nicht korrekt auch Verdampfungswärme 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 frei. Es handelt sich um eine Form von latenter Wärme.

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

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

Tempe-
ratur in
°C
Verdampfungs-
enthalpie in
kJ mol−1
Bemerkung
000 45,054
025 43,990 Standardverdampfungsenthalpie
040 43,350
060 42,482
080 41,585
100 40,657 Normalsiedepunkt
180 36,304 1 MPa (10 bar) Druck
≈ 374 0000 22 MPa, kritischer Punkt

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 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 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:
    • 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.

Übersicht Verdampfungsenthalpien der chemischen Elemente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Element molare Masse [g/mol] Siede­temp. [°C] Δhv [kJ/mol] Δhv [kJ/g]
1. Hauptgruppe
Wasserstoff (H2)[2] 002,016 −253 000,90 00,446
Lithium[3] 006,941 1342 146 21,0
Natrium[4] 022,99 0883 097,0 04,22
Kalium[5] 039,10 0759 079,9 02,04
Rubidium[6] 085,47 0688 072,2 00,845
Caesium[7] 0132,9 0705 067,7 00,510
Francium[8] 223,0 0677 064 00,29
2. Hauptgruppe
Beryllium[9] 009,012 2477 292 32,4
Magnesium[10] 024,33 1090 127 05,24
Calcium[11] 040,08 1484 154 03,83
Strontium[12] 087,62 1382 144 01,64
Barium[13] 137,3 1640 142 01,03
Radium[14] 226,0 1737 137 00,605
3. Hauptgruppe
Bor[15] 010,81 3927 490 45,3
Aluminium[16] 026,98 2467 293 10,9
Gallium[17] 069,72 2204 259 03,71
Indium[18] 114,8 2072 232 02,02
Thallium[19] 204,4 1473 164 00,803
4. Hauptgruppe
Kohlenstoff (subl.)[20] 12,01 4850 717 59,5
Silizium[21] 028,09 2355 384 13,7
Germanium[22] 072,64 2820 331 04,56
Zinn[23] 118,7 2602 296 02,49
Blei[24] 207,2 1749 178 00,858
5. Hauptgruppe
Stickstoff (N2)[25] 028,02 −196 005,59 00,199
Phosphor[26] 030,97 0277 012,1 00,392
Arsen (subl.)[27] 074,92 0616 034,8 00,464
Antimon[28] 121,8 1587 077,1 00,634
Bismut[29] 209,0 1564 105 00,502
6. Hauptgruppe
Sauerstoff (O2)[30] 032,00 −183 006,82 00,213
Schwefel[31] 032,07 0445 009,6 00,30
Selen[32] 221 0684,6 026,3 00,333
Tellur[33] 127,6 0450 052,6 00,412
Polonium[34] 209,0 0962 120 00,574
7. Hauptgruppe
Fluor (F2)[35] 038,00 −188 006,54 00,172
Chlor (Cl2)[36] 070,90 0−34 020,4 00,288
Brom (Br2)[37] 159,8 0+59 029,6 00,193
Iod (I2)[38] 253,8 +184 041,9 00,164
Astat[39] 210,0 +337 030 00,14
8. Hauptgruppe
Helium[40] 004,003 −269 000,084 00,0211
Neon[41] 020,18 −246 001,73 00,0859
Argon[42] 039,95 −186 006,45 00,161
Krypton[43] 083,80 −153 009,03 00,108
Xenon[44] 131,3 −108 012,6 00,0962
Radon[45] 222,0 0−62 016,4 00,0739

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 Element molare Masse [g/mol] Siede­temp. [°C] Δhv [kJ/mol] Δhv [kJ/g]
Scandium[46] 44,96 2830 314 6,99
Titan[47] 47,87 3287 421 8,80
Vanadium[48] 50,94 3409 452 8,87
Chrom[49] 52,00 2672 344 6,62
Mangan[50] 54,94 1962 226 4,11
Eisen[51] 55,85 2750 350 6,26
Cobalt[52] 58,93 2927 377 6,39
Nickel[53] 58,69 2913 370 6,31
Kupfer[54] 63,55 2567 300 4,73
Zink[55] 65,41 0907 115 1,76
Yttrium[56] 88,91 3336 363 4,08
Zirconium[57] 91,22 4409 591 6,47
Niob[58] 92,91 4744 697 7,50
Molybdän[59] 95,94 4639 598 6,23
Technetium[60] 98,91 4877 660 6,67
Ruthenium[61] 101,1 4150 595 5,89
Rhodium[62] 102,9 3695 493 4,79
Palladium[63] 106,4 2963 357 3,35
Silber[64] 107,9 2162 251 2,32
Cadmium[65] 112,4 0767 100 0,890
Lanthan[66] 138,9 3457 414 2,98
Cer[67] 140,1 3426 414 2,95
Praseodym[68] 140,9 3520 297 2,11
Neodym[69] 144,2 3100 273 1,89
Promethium[70] 146,9 3000 290 1,97
Samarium[71] 150,4 1803 166 1,11
Europium[72] 152,0 1527 144 0,944
Gadolinium[73] 157,3 3250 359 2,29
Terbium[74] 158,9 3230 331 2,08
Dysprosium[75] 162,5 2567 230 1,42
Holmium[76] 164,9 2695 241 1,46
Erbium[77] 167,3 2510 193 1,15
Thulium[78] 168,9 1947 191 1,13
Ytterbium[79] 173,0 1194 127 0,733
Lutetium[80] 175,0 3395 356 2,03
Hafnium[81] 178,5 4603 575 3,22
Tantal[82] 180,9 5458 743 4,11
Wolfram[83] 183,8 5555 824 4,48
Rhenium[84] 186,2 5596 715 3,84
Osmium[85] 190,2 5012 628 3,30
Iridium[86] 192,2 4428 604 3,14
Platin[87] 195,1 3827 510 2,61
Gold[88] 197,0 2856 334 1,70
Quecksilber[89] 200,6 0357 059,2 0,295
Actinium[90] 227,0 3200 293 1,29
Thorium[91] 232,0 4788 514 2,22
Protactinium[92] 231,0 4027 470 2,03
Uran[93] 238,0 4134 423 1,78
Neptunium[94] 237,0 3902 k. A.
Plutonium[95] 244,1 3327 325 1,33
Americium[96] 243,1 2607 239 0,981
Curium[97] 247,1 3110 k. A.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wiktionary: Verdampfungsenthalpie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Verdunstungskühlschrank
  2. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el1.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  3. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el3.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  4. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el11.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  5. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el19.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  6. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el37.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  7. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el55.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  8. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el87.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  9. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el4.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  10. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el12.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  11. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el20.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  12. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el38.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  13. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el56.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  14. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el88.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  15. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el5.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  16. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el13.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  17. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el31.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  18. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el49.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  19. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el81.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  20. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el6.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  21. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el14.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  22. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el32.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  23. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el50.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  24. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el82.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  25. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el7.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  26. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el15.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  27. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el33.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  28. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el51.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  29. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el83.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  30. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el8.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
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  32. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el34.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  33. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el52.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  34. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el84.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
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  36. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el17.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  37. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el35.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
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  39. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el85.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  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. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el10.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  42. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el18.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  43. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el36.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  44. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el54.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  45. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el86.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  46. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el21.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  47. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el22.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
  48. http://www.lev.shuttle.de/lev/whs/ELEMENTE/el23.htm#konf (Memento vom 13. November 2004 im Internet Archive)
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