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Schmelzwärme und Erstarrungswärme

Definition: die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine Substanz zu schmelzen, bzw. die beim Erstarren wieder frei wird

Englisch: melting heat, solidification heat

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 08.11.2014; letzte Änderung: 03.11.2018

Wenn eine ursprünglich feste Substanz geschmolzen (verflüssigt) wird, wird hierfür eine gewisse Energiemenge in Form von Wärme benötigt. Die Menge dieser Wärme wird als Schmelzwärme bezeichnet. Man meint hierbei nur den Anteil der Wärme, der für die Aggregatzustandsänderung benötigt wird. Es handelt sich also um latente Wärme.

Wenn die Flüssigkeit später wieder erstarrt, wird die gleiche Wärmemenge wieder frei, und man bezeichnet diese als Erstarrungswärme.

Die spezifische Schmelz- bzw. Erstarrungswärme ist die jeweilige Wärmemenge dividiert durch die Menge der Substanz, die in der Regel als eine Masse oder manchmal auch als ein Volumen angegeben wird. Außerdem gibt es die molare Schmelzwärme, die auf ein Mol einer Substanz bezogen wird. Deswegen findet man unterschiedliche Einheiten wie MJ/kg, MJ/m3 oder MJ/mol.

Mikroskopische Erklärung der Schmelzwärme; Schmelzenthalpie

Die wichtigste physikalische Ursache dafür, dass das Schmelzen einer Substanz eine Energiezufuhr benötigt, liegt darin, dass die im festen Zustand stärkere Bindung zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen aufgebrochen werden muss.

Außerdem tritt beim Schmelzen meistens eine geringe Ausdehnung (Zunahme des Volumens) auf, und diese bedingt eine gewisse Volumenarbeit, wenn sie gegen einen äußeren Druck (z. B. den Atmosphärendruck) geschehen muss. Allerdings ist diese Volumenzunahme beim Schmelzen weitaus geringer als beim Verdampfen, sodass die Volumenarbeit hier eine vergleichsweise untergeordnete Rolle spielt (außer bei extrem hohen Drucken).

Wasser ist insofern ein Sonderfall, dass beim Schmelzen das Volumen nicht zunimmt, sondern sogar abnimmt. Jedoch ist auch hier die Volumenänderung relativ gering und somit der Einfluss der Volumenarbeit wenig bedeutsam.

Wenn das Schmelzen bei konstantem Druck (also isobar) erfolgt, spricht man in Wissenschaft und Technik genauer von der Schmelzenthalpie.

Schmelzwärme von Wasser

Wasser hat eine besonders hohe Schmelzenthalpie von 333 kJ/kg. Dividiert man diese durch den spezifische Wärmekapazität von 4,19 kJ/(kg K), kommt man auf 79,5 K. Dies bedeutet, dass das Schmelzen von Wassereis etwa so viel Wärme benötigt wie die Erwärmung des Schmelzwassers von 0 °C auf 80 °C. Die Verdampfungswärme liegt sogar noch viel höher, nämlich bei 2,26 MJ/kg, also ca. 5,4 mal mehr als die Wärmemenge für die Erhitzung von Wasser von 0 °C auf 100 °C.

Bei anderen Substanzen ist diese Schmelzenthalpie meist wesentlich kleiner. Beispielsweise ist sie für Ethanol nur 111 kJ/kg, also dreimal kleiner als bei Wasser. Bezogen auf jeweils ein Mol (also eine bestimmte Teilchenzahl) ist der Unterschied allerdings gering: 5,1 kJ/mol bei Ethanol gegenüber 6 kJ/mol bei Wasser. So gesehen kommt die höhere Schmelzwärme von Wasser hauptsächlich daher, dass ein Kilogramm Wasser viel mehr Moleküle enthält als ein Kilogramm Ethanol, weil Wassermoleküle eben viel leichter sind.

Siehe auch: Enthalpie, Verdampfungswärme und Kondensationswärme
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

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