Verdampfen

  Das Verdampfen ist der Übergang einer Flüssigkeit vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand (Phasenübergang). Bringt man eine Flüssigkeit in ein evakuiertes Gefäß, so verdampft sie, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampfphase eingestellt hat. Der Druck, der dann in dem Gefäß herrscht, ist der Dampfdruck der Flüssigkeit. Öffnet man nun das Gefäß, so wird die Atmosphäre im Gefäß ausgetauscht. Dies stört das Gleichgewicht zwischen Dampfphase und Flüssigkeit, so dass weitere Flüssigkeit verdampft. Dieser Prozess heißt Verdunsten.

Der Dampfdruck ist stark von der Temperatur abhängig. Solange der Dampfdruck kleiner als der Umgebungsdruck ist, verdunstet die Flüssigkeit nur an der Oberfläche. Erwärmt man die Flüssigkeit so stark, dass der Dampfdruck mit dem Umgebungsdruck identisch ist, findet in der ganzen flüssigen Phase Gasentwicklung statt, die Flüssigkeit siedet. Die Temperatur, bei der die Flüssigkeit zu sieden beginnt, heißt Siedepunkt. Die zum Verdamfen erforderliche Energie heißt Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie. Den Übergang eines Stoffes in Gegenrichtung zum Verdampfung, also vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand, bezeichnet man als Kondensation.

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Siedevorgang

Während des Übergangs bleibt die Temperatur konstant, sofern auch der Druck konstant bleibt. Sämtliche zugeführte Wärme wird in die Zustandsänderung investiert.

Bei mehrphasigen Systemen, zum Beispiel mit den Komponenten Wasser und Aceton, ist die Zusammensetzung der flüssigen und der Gasphase in der Regel unterschiedlich, die höhersiedende Komponente reichert sich in der flüssigen Phase an. Daher steigt der Siedepunkt mit fortschreitender Verdampfung. Der Siedevorgang wird am besten durch ein Siedediagramm beschrieben.

Die Komponenten liegen in der flüssigen und der gasförmigen Phase in unterschiedlichen Konzentrationen vor. Diesen Umstand macht man sich bei thermischen Trennverfahren zunutze.

Beispiel Wasser

  Unter Normalbedingungen, also bei einem Luftdruck von 1013 hPa und einer Temperatur von 20 °C, ist Wasser flüssig. Wird Wasser in einem oben offenen Gefäß von unten durch eine Wärmequelle erhitzt, so baut sich ein Temperaturgradient auf. Am Boden ist es am heißesten, die Oberflächentemperatur entspricht noch der Lufttemperatur. Da warmes Wasser eine geringere Dichte als kaltes Wasser hat, steigt es auf, dafür sinkt kälteres Wasser nach unten (Konvektion). Bei langsamer Erwärmung kann das ganze Wasser verdampfen, ohne, dass Blasen aufsteigen.

Ist die Temperatur des Bodens höher als die Siedetemperatur des Siedepunkts beim herrschenden hydrostatischen Druck, so verdampft das Wasser. Zunächst bilden sich an kleinen Unebenheiten des Bodens (Verdampfungskernen) Blasen aus, welche nach oben steigen und kühleres Wasser nach unten strömen lassen, das Wasser beginnt zu sieden. Die Blasen enthalten Wasserdampf oder andere Gase, die im kalten Wasser gelöst waren.

Solange Blasen aufsteigen und ein intensiver Wärmeübergang durch die Wand gewährleistet ist spricht man vom Blasensieden. Bildet sich hingegen eine zusammenhängende Dampfschicht, so bezeichnet man dies als Filmsieden.

Beim Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden verschlechtert sich der Wärmeübergang zwischen Boden und Wasser sprunghaft. Beim Blasensieden wird das Wasser durch die aufsteigenden Blasen durchgerührt, dies fehlt beim Filmsieden. Dieser Effekt muss beim Kühlen von heißen Objekten (wie z.B. Brennelementen) mit Wasser stets beachtet werden.

Beim stillen Sieden ist noch nicht im gesamten Gefäß die Siedetemperatur erreicht. Die Blasen kondensieren im kälteren Wasser und kollabieren. Durch die aufsteigenden heißen Dampfblasen werden die oberen Schichten des Wassers zusätzlich erwärmt, bis der ganze Wasserkörper gleichmäßig aufgeheizt ist.

Die Erwärmung des Oberflächenwassers führt auch zu einer Erwärmung der darüber befindlichen Dampfphase. Ist die Oberflächen-Temperatur des Wassers größer als der Siedpunkt beim herrschenden Luftdruck (zum Beispiel größer als 100 °C bei 1013 hPa), so verdampft das gesamte Wasser, insofern die Wärmezufuhr nicht unterbrochen wird.

Siedeverzug

Hauptartikel: Siedeverzug

Wasser, Wasserstoffperoxid oder Laugen (zum Beispiel Natronlauge) ohne Staubpartikel oder Gasbläschen lassen sich in reinen Gefäßen auch über die Siedetemperatur hinaus erwärmen, ohne dass es zum Sieden kommt. Kleinste Störungen, wie zum Beispiel Erschütterungen, die eine Durchmischung nach sich ziehen, können zu einer explosionsartigen Trennung der flüssigen von der Dampfphase führen, was man als Siedeverzug bezeichnet. Aufgrund dessen fügt man in der Chemie Lösungen, die von einem Siedeverzug gefährdet sind, Siedesteinchen aus Ton oder Bimsstein zu, die durch die Chemikalie nicht angegriffen werden, aber durch ihre poröse Struktur die Bildung kleiner Blasen erleichtern, so dass es nicht zum Siedverzug kommt.

Siehe auch

• Verdunstung, Vergasen, Evaporation, Saline