Читать книгу Verfahrenstechnik für Dummies - Burkhard Lohrengel - Страница 50

Besonders gut lassen sich Phasenübergänge am Beispiel des Wassers erklären. In Abbildung 2.17 sind die Phasenübergänge

 Schmelzen,

 Erstarren,

 Verdampfen,

 Kondensieren,

 Sublimation und

 Resublimation

gezeigt.

Abbildung 2.17 Phasenübergänge am Beispiel von Wasser

Bei Umgebungsdruck (1 bar) erstarrt Wasser bei 0 °C, es bildet sich Eis. Dieses schmilzt bei genau dieser Temperatur. Genauso verhält es sich beim Verdampfen von Wasser. Bei 100 °C wird aus Wasser Wasserdampf. Beim Umkehrvorgang kondensiert Wasserdampf ebenfalls bei 100 °C zu Wasser. Bei Phasenübergängen muss Wärme zugeführt werden (Verdampfen und Schmelzen) oder es wird Wärme frei (Erstarren und Kondensieren).

In Abbildung 2.18 ist die Zustandsänderung von Wasser bei Wärmezufuhr gezeigt. Der Startpunkt liegt beispielhaft bei –50 °C. Jetzt führen Sie dem Eis eine bestimmte Wärmemenge Q (Einheit kJ/kg) zu. Dadurch erwärmt sich der Feststoff Eis. Eis besitzt eine spezifische Wärmekapazität von

Abbildung 2.18 Zustandsänderung von Wasser bei Wärmezufuhr

Die spezifische Wärmekapazität ist ein Stoffwert und gibt an, wieviel Energie in kJ einem kg des betrachteten Stoffs (hier Eis) zugeführt werden muss, um eine Temperaturerhöhung um 1 K zu erreichen.

Um 1 kg Eis von –50 ^°C auf 0 ^°C zu erwärmen, sind daher 105 kJ (50 K · 2,1 kJ/K) erforderlich.

Wird durch Wärmezufuhr eine Temperatur von 0 °C erreicht, beginnt Eis zu schmelzen. Für das Schmelzen des Eises ist Energie erforderlich, die Schmelzwärme. Diese beträgt beim Phasenübergang Eis (Feststoff) zu Wasser (Flüssigkeit) 333 kJ/kg. Jedem kg Eis müssen Sie 333 kJ an Energie zuführen, damit es schmilzt. Erstarrt Wasser zu Eis, wird genau diese Wärmemenge frei. Durch weitere Energiezufuhr wird das Wasser von 0 °C auf 100 °C erwärmt. Zum Erwärmen von Wasser ist viel Energie erforderlich, da Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität von aufweist. Dadurch kann Wasser sehr viel Wärme aufnehmen, ohne sich merklich zu erwärmen.

Bedingt durch seine hohe Wärmekapazität eignet sich Wasser sehr gut als Kühlmittel in Wärmeaustauschern. Morgens beim Frühstück haben Sie dafür das Problem, das Sie dem Wasser sehr viel Energie zuführen müssen, damit es kocht und Sie Ihren Tee oder Kaffee aufbrühen können. Schalten Sie Ihren Wasserkocher ein und beobachten Sie Ihren Stromzähler! Sie werden sehen, wie schnell der sich dann dreht.

Ab 100 °C beginnt Wasser zu verdampfen. Hierzu ist die Verdampfungswärme von 2256 kJ/kg erforderlich. Sie merken, Wasser lässt sich nur mit großem Energieaufwand verdampfen. Ist der letzte Wassertropfen verdampft, wird der Dampf bei weiterer Energiezufuhr immer heißer. Für Dampf beträgt die spezifische Wärmekapazität diese liegt also in einer ähnlichen Größenordnung wie beim Eis.