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Energetische Stoffgrößen und ihre Messung

Umwandlungswärmen

Die Phasenumwandlung eines reinen Stoffes ist mit der Aufnahme oder Abgabe von Energie verbunden, weil sich die Abstände und/oder Winkel zwischen den Molekülen (oder der Atome in den Molekülen) neu einstellen, sodass sich als Folge der zwischenmolekularen Kräfte die innere Energie verändert. Wir beobachten deswegen:

Umwandlungswärmen bei Phasenumwandlungen
Schmelzen, Verdampfen bedeutet immer eine Wärmezufuhr für T = const. !
Erstarren, Verflüssigen bedeutet immer eine Wärmeabfuhr für T = const. !

Befindet sich der Stoff in einem Thermostaten, dessen Temperatur genau auf die Umwandlungstemperatur T U bei dem gegebenen Druck eingestellt ist, so findet der Phasenwechsel unter Gleichgewichtsbedingungen statt. Beide Aggregatzustände liegen nebeneinander vor, z.B. bei der Verdampfung die flüssige und die gasförmige Phase.

  • Wird die Thermostattemperatur auf T U - d T verringert, so beginnt sich die gasförmige Phase in die flüssige umzuwandeln. Die frei werdende Kondensationswärme wird vom Thermostaten aufgenommen.
  • Ist die Regelung des Thermostaten so eingestellt, dass die Temperatur T U - d T erhalten bleibt (d.h. die Umwelt hat eine unendliche Wärmekapazität, sodass auch bei Wärmeaufnahme ihre Temperatur konstant bleibt), so setzt sich die Kondensation fort, bis die gasförmige Komponente des Stoffes völlig aufgebraucht ist. Die gesamte Kondensationswärme ist nun vom Thermostaten aufgenommen worden, ohne dass sich allerdings die Temperatur T U - d T des Systems geändert hat. Demnach kann der Experimentator zwar das Verschwinden der gasförmigen Phase feststellen, nicht aber die an den Thermostaten abgegebene Wärmemenge. Umwandlungswärmen werden deswegen auch als latente Wärmen bezeichnet.

Eine andere Situation liegt vor, wenn sich bei gegebener Temperatur die Flüssigkeit in einem Glaskolben im Gleichgewicht mit ihrem Dampf befindet. Schließen wir den Kolben an eine Vakuumpumpe an und öffnen den Sperrhahn, so wird der Dampf abgesaugt. Nun besteht nicht mehr der Gleichgewichtsdampfdruck über der Flüssigkeit: Sie beginnt zu sieden (Abdampfen von Äther mit einer Wasserstrahlpumpe).

  • Die erforderliche Verdampfungswärme wird dem flüssigen Stoff und seiner Umgebung entzogen. Falls sich der Kolben nicht in einem Wärmebad befindet, kühlen sich Flüssigkeit und Kolbenwand stark ab (Eisbildung an der Kolbenaußenwand!). Die Verdampfung endet, wenn der Dampfdruck der abgekühlten Flüssigkeit (oder des Feststoffes nach Erstarren der Flüssigkeit) gleich dem Dampfdruck des Treibmittels der Vakuumpumpe ist (Wasser, Öl, Quecksilber).
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