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Verdampfungswärme und Kondensationswärme

Definition: die Wärmemenge, die man benötigt, um eine ursprünglich flüssige Substanz zu verdampfen, bzw. die beim Kondensieren wieder freigesetzt wird

Englisch: evaporation heat, condensation heat

Kategorien: Grundbegriffe, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 08.11.2014; letzte Änderung: 03.11.2018

Die Verdampfungswärme ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine ursprünglich flüssige Substanz zu verdampfen, d. h. durch Sieden oder Verdunsten vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu bringen. Genauer ist nur der Anteil der Wärme gemeint, der für die Aggregatzustandsänderung benötigt wird und nicht für eine Erhöhung der Temperatur. Es handelt sich also um latente Wärme. Ein Großteil der für den Betrieb eines Dampfkessels benötigten Energie entfällt auf die Verdampfungswärme.

Wenn das entstandene Gas anschließend wieder kondensiert (verflüssigt) wird, wird genau wieder die Energiemenge als Wärme frei, die bei der Verdampfung aufgewendet werden musste. Die Kondensationswärme entspricht von der Menge her also genau der Verdampfungswärme.

Häufig spricht man von der spezifischen Verdampfungs- oder Kondensationswärme; dies ist die benötigte bzw. freiwerdende Wärmemenge dividiert durch die Menge der Substanz, die in der Regel als eine Masse oder manchmal auch ein Volumen angegeben wird. Außerdem gibt es die molare Verdampfungswärme, die auf ein Mol einer Substanz bezogen wird. Man findet deswegen unterschiedliche Einheiten wie MJ/kg (Megajoule pro Kilogramm), MJ/m3 (Megajoule pro Kubikmeter), kWh/kg und kJ/mol (Kilojoule pro Mol).

Verdunstung, also Verdampfung in eine darüber liegende Gasphase eines anderen Stoffs (z. B. Luft), kann auch dann auftreten, wenn einer Flüssigkeit keine Wärme von außen zugeführt wird. Die Verdampfungswärme wird dann der Flüssigkeit selbst und dem Gas darüber entnommen. Es erfolgt also eine entsprechende Abkühlung, die auch als Verdunstungskälte bezeichnet wird. Dieser Effekt wird beispielsweise in Nasskühltürmen ausgenutzt.

Verdampfungswärme von Wasser

Besonders häufig hat man in der Energietechnik mit der Verdampfungswärme von Wasser zu tun. Sie beträgt z. B. bei 100 °C (also beim Sieden bei Normaldruck) 40,7 kJ/mol bzw. 2,26 MJ/kg = 0,63 kWh/kg. Bei 20 °C (z. B. Verdunsten bei Zimmertemperatur) ist es etwas mehr: 44,2 kJ/mol oder 2,46 MJ/kg = 0,68 kWh/kg.

Wasser weist im Vergleich zu vielen anderen Flüssigkeiten eine besonders hohe spezifische Verdampfungsenthalpie auf. Dies liegt vor allem an den relativ starken Anziehungskräften zwischen den stark polaren Wassermolekülen. Dazu kommt, dass Wassermoleküle ziemlich leicht sind, sodass 1 kg Wasser besonders viele Moleküle enthält.

Mikroskopische Erklärung der Verdampfungswärme; Verdampfungsenthalpie

Die physikalische Ursache dafür, dass das Verdampfen eine Energiezufuhr benötigt, lässt sich mikroskopisch durch zwei unterschiedliche Beiträge erklären:

  • Die einzelnen Atome oder Moleküle liegen nahe bei einander, solange die Substanz noch flüssig ist. Hierbei treten gegenseitige Anziehungskräfte auf. Um die Atome oder Moleküle voneinander zu trennen, muss gegen diese Anziehungskräfte eine sogenannte Abtrennarbeit geleistet werden. Hierbei steigt die innere Energie.
  • Bei der Verdampfung nimmt das Substanzvolumen in der Regel sehr stark zu. Wenn diese Ausdehnung gegen einen äußeren Druck (beispielsweise gegen den atmosphärischen Druck) geschehen muss, leistet die Substanz dabei Arbeit an der Umgebung. Die für diese Volumenarbeit oder Verschiebearbeit zusätzlich benötigte Energiemenge ist das Produkt von Druck und Volumenzunahme (p · ΔV).

Die Summe beider Beiträge ergibt die Verdampfungswärme. Genauer spricht man hier von Verdampfungsenthalpie. Der Begriff Enthalpie unterstreicht, dass externe Faktoren wie der Umgebungsdruck mit berücksichtigt werden, wobei der Druck als konstant angenommen wird. Die Verdampfungsenthalpie ist also die isobare Verdampfungswärme.

Interessanterweise hängt die Verdampfungsenthalpie häufig kaum vom Druck ab. Bei höherem Druck erfolgt nämlich eine entsprechend geringere Volumenzunahme, sodass sich die Volumenarbeit effektiv kaum ändert. Die Abtrennarbeit ist ebenfalls kaum von Druck abhängig. Bei sehr hohen Drucken nimmt die Verdampfungsenthalpie allerdings ab und wird schließlich am kritischen Punkt sogar null. Beim Verdampfen knapp unterhalb des kritischen Punktes ist der Unterschied zwischen flüssiger und gasförmiger Phase auch bereits recht klein. Oberhalb des kritischen Punktes (im überkritischen Zustand) ist gar keine Unterscheidung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase mehr möglich.

Außerdem hängt die Verdampfungsenthalpie von der Temperatur ab. Beispielsweise beträgt sie für Wasser bei 0 °C 45,0 kJ/mol, bei 100 °C aber nur noch 40,7 kJ/mol. Dies liegt daran, dass der durchschnittliche Abstand der Moleküle bei höherer Temperatur bereits etwas erhöht ist. Bei Annäherung an den sogenannten kritischen Punkt verschwindet die Verdampfungsenthalpie sogar vollständig.

Siehe auch: latente Wärme, Enthalpie, Schmelzwärme und Erstarrungswärme, Wasserdampf, Dampfkessel
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Wärme und Kälte

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