mini|Sprühnebel-Gebläse werden zur Kühlung der Luft in öffentlichen Räumen genutzt. Die zum Verdunsten der Wassertropfen benötigte Verdampfungsenthalpie wird der Umgebungsluft entzogen, die sich dadurch abkühlt.
Die Verdampfungsenthalpie ΔHv, nicht-fachsprachlich auch Verdampfungswärme, im Zusammenhang mit Verdunstung umgangssprachlich Verdunstungskälte 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 (früher auch als Kondensationswärme oder latente Wärme bezeichnet) frei.
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
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 größer ist die Verdampfungsenthalpie bei den Metallen (starke metallische Bindung) und am größten bei den Salzen wegen deren sehr starker Ionenbindung. Beispiel: Um ein Kilogramm Wasser bei 101,3 kPa (Normaldruck) und 100 °C (Siedepunkt bei Normaldruck) zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ΔW = 2088 kJ aufzuwenden. Dieser vergleichsweise hohe Wert resultiert aus den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen im flüssigen Aggregatzustand.
Verschiebungsarbeit im isobaren Fall 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: (Erläuterung der Formelzeichen im folgenden Kapitel).
Beispiel: Bei 101,3 kPa und 100 °C hat ein Kilogramm Wasser im flüssigen Zustand ein Volumen von 1,04 dm3 = 0,00104 m3 im gasförmigen Zustand ein Volumen von 1,673 m3; dies entspricht einer Wasser-Konzentration bzw. Dichte der Gasphase bzw. des Wasserdampfes von (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 101,3 kPa 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
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. mini|300px|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-raturin °C Verdampfungs-enthalpie inkJ mol−1 Verdampfungs-enthalpiein kJ g−1 Bemerkung 0 45,054 2,5 25 43,990 2,441 häufige Tabellierungstemperatur 40 43,350 2,406 60 42,482 2,357 80 41,585 2,308 100 40,657 2,256 Normalsiedepunkt 180 36,304 2,015 1 MPa (10 bar) Druck ≈ 374 0 0 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 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 Bei der Sublimation (Phasenumwandlung von fest nach gasförmig) spricht man von Sublimationsenthalpie, die zusätzlich zur Verdampfungsenthalpie auch die Schmelzenthalpie des Stoffes beinhaltet. Auch Wassereis kann sublimieren, daher trocknet Wäsche auch bei Temperaturen unter 0 °C.
Anwendungen mini|Verdunstungskälte eines teilweise nassen Handtuchs mit der Wärmebildkamera gesehen Die Verdampfungsenthalpie wird vor allem zum Wärmetransport genutzt. Siedekühlung Funktionsgrundlage des Kühlturms („Rieselkühler“) stromlos betreibbare „Verdunstungs-Kühlschränke“ 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 Scheibenwaschzusätze; 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. Tropische Wirbelstürme beziehen ihre Energie hauptsächlich aus der Wärme, die bei der Kondensation riesiger Wassermassen freigesetzt wird. Bei einem elektrischen Eierkocher verdampft Wasser, das an der kälteren Oberfläche der Eier kondensiert. Die dabei freiwerdende Kondensationsenthalpie gart die Eier.
Übersicht Verdampfungsenthalpien der chemischen Elemente
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:
ChemischesElement molareMasse(g/mol) Siede-temp.(°C) Δhv(kJ/mol) Δhv(kJ/g) 1. Hauptgruppe Wasserstoff (H2) 2,016 −253 0,90 0,446 Lithium 6,9411342 146 21,0 Natrium 22,99883 97,0 4,22 Kalium39,10759 79,9 2,04 Rubidium 85,47688 72,2 0,845 Caesium 132,9705 67,7 0,510 Francium 223,0 677 64 0,29 2. Hauptgruppe Beryllium9,0122477 292 32,4 Magnesium24,331090 127 5,24 Calcium 40,081484 154 3,83 Strontium87,62 1382 1441,64 Barium 137,31640 142 1,03 Radium 226,01737 1370,605 3. Hauptgruppe Bor 10,813927 490 45,3 Aluminium 26,982467 293 10,9 Gallium 69,722204 259 3,71 Indium 114,82072 232 2,02 Thallium 204,41473 1640,803 4. Hauptgruppe Kohlenstoff (subl.)12,01 4850 71759,5 Silizium28,092355 384 13,7 Germanium72,642820 331 4,56 Zinn118,72602 296 2,49 Blei207,21749 178 0,858 5. Hauptgruppe Stickstoff (N2) 28,02 −196 5,59 0,199 Phosphor 30,97 277 12,1 0,392 Arsen (subl.) 74,92 616 34,8 0,464 Antimon 121,8 1587 77,1 0,634 Bismut209,0 1564 105 0,502 6. Hauptgruppe Sauerstoff (O2) 32,00 −183 6,82 0,213 Schwefel 32,07 445 9,6 0,30 Selen 221 684,6 26,3 0,333 Tellur 127,6 450 52,60,412 Polonium 209,0 962 1200,574 7. Hauptgruppe Fluor (F2) 38,00 −188 6,54 0,172 Chlor (Cl2) 70,90 −34 20,4 0,288 Brom (Br2) 159,8 59 29,6 0,193 Iod (I2) 253,8 184 41,9 0,164 Astat 210,0 337 30 0,14 8. Hauptgruppe HeliumYiming 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/je1011086.4,003 −2690,084 0,0211 Neon20,18 −246 1,73 0,0859 Argon39,95 −186 6,45 0,161 Krypton83,80 −153 9,03 0,108 Xenon131,3 −108 12,6 0,0962 Radon222,0 −62 16,40,0739
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)