Heat of vaporization

the heat of vaporization ΔQ v is the amount of heat, which is needed, in order to bring a certain quantity of a liquid of the liquid into the gaseous state of aggregation. See also boiling point curve.


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Abtrennarbeit

Für den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand muß - auch falls sich die Flüssigkeit schon am Siedepunkt befindet - Energie zugeführt werden. Diese Abtrennarbeit dient zur Überwindung der Anziehungskräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen. Dabei geht die aufgewandte Energie aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht verloren, sondern wird zu einem Teil der im Gas enthaltenen inneren Energie U.

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 höher ist die Verdampfungswärme bei den Metallen (starke metallische Bindung) und am höchsten bei den Salzen wegen der vergleichsweise extrem starken Ionenbindung.

Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers
Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers

Beispiel: Um ein Kilogramm Wasser bei 100 °C und 1013 mbar zu verdampfen, ist die Abtrennarbeit ΔU = 2088 kJ aufzuwenden. Die Abtrennarbeit ist für Wasser wegen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen relativ hoch.

Verschiebungsarbeit im isobaren Fall

Außerdem hängt der Betrag der zuzuführenden Verdampfungswärme 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 p·(VG-VF) = p ΔV leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht: ΔQv = ΔU + p·ΔV.

Beispiel: Bei 100 °C und 1013 mbar hat ein Kilogramm Wasser im flüssigen Zustand ein Volumen von 1,04 dm3 und im gasförmigen Zustand ein Volumen von 1,673 m3. Die Wasser-Konzentration in der Gasphase beträgt bei 100°C dann 598 g/m³. siehe Dampfdruckkurve

Die Sättigungsmenge von Wasserdampf in Luft in Funktion der Temperatur.

Die Volumenszunahme 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 1013 mbar pro kg Wasser zuzuführende Verdampfungswärme beträgt daher ΔQv = ΔU + p·ΔV = 2088 kJ + 169 kJ = 2257 kJ = 2,26 MJ/kg.

Unter anderen Bedingungen, wie z.B. Verdampfen ins Vakuum, Verdampfen bei konstantem Volumen usw. gelten andere Gesetzmäßigkeiten.

Enthalpie

Die aus den Zustandsgrößen U, p und V gebildete Zustandsgröße H = U + p·V heißt Enthalpie. Ändern sich U, p und V um die Beträge ΔU, Δp und ΔV, so ändert sich H um den Betrag ΔH = ΔU + Δp·V + p·ΔV + Δp·ΔV. Bleibt der Druck, wie im hier betrachteten Fall, konstant, so ist ΔH = ΔU + p·ΔV.

Im isobaren Fall ist die zugeführte und auf Abtrenn- sowie Verschiebungsarbeit verteilte Energie ΔQv = ΔU + p·ΔV also gleich der Enthalpieänderung des Systems

ΔQv = ΔU + p·ΔV = ΔHv

und wird dann auch Verdampfungsenthalpie ΔHv genannt.

Beispiel: die Verdampfungsenthalpie von 1 kg Wasser beträgt 2257 kJ (bei 100°C).

Verwendung des Formelzeichens ΔQv betont, dass die Energiezufuhr in Form von Wärme geschieht, Verwendung des Formelzeichens ΔHv betont, dass die Zustandsgröße Enthalpie des Systems verändert wird.

Verdampfungsenthalpie

Zahlreiche alltägliche Verdampfungs- und Verdunstungsvorgänge finden unter isobaren Verhältnissen statt, weil die betreffenden Systeme dem atmosphärischen Luftdruck ausgesetzt sind. Die aufzuwendende Verdampfungswärme ist dann insbesondere eine Verdampfungsenthalpie und ist unter dieser Bezeichnung für viele Stoffe tabelliert.

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). Für beliebige Temperaturen kann die molare Verdampfungsenthalpie über den gemessenen Dampfdruck (des zu destillierenden Stoffs) mit der Beziehung von Clausius-Clapeyron berechnet werden. http://de.wikipedia.org/wiki/S%C3%A4ttigungsdampfdruck

Temp. ber. Verd.enthalpie für WASSER

0°C 45,054 kJ/mol

25°C 43,990 kJ/mol

40°C 43,350 kJ/mol

60°C 42,482 kJ/mol

80°C 41,585 kJ/mol

100°C 40,657 kJ/mol (am Siedepkt. bei 1013 mbar) = 2,26 MJ/kg Wasser

120°C 39,684 kJ/mol (alle Messungen >100°C mit komprimiertem Wasserdampf)

140°C 38,643 kJ/mol

160°C 37,518 kJ/mol

180°C 36,304 kJ/mol (Anm.: ca. 10 bar Wasserdampf)

200°C 34,962 kJ/mol

220°C 33,468 kJ/mol

240°C 31,809 kJ/mol

260°C 29,930 kJ/mol

280°C 27,795 kJ/mol

300°C 25,300 kJ/mol

320°C 22,297 kJ/mol

340°C 18,502 kJ/mol

360°C 12,966 kJ/mol

374°C 2,067 kJ/mol ("krit. Temperaturpunkt")

Die molare Verdampfungsenthalpie (in kJ/mol) kann durch Dividieren mit der molaren Masse (hier: 18,02 g/mol für Wasser) in die spezifische Verdampfungsenthalpie (in kJ/g) umgerechnet werden.

Die molare Verdampfungsenthalpie kann im Temperaturbereich 273-473K (0-200°C) einfach mit der empirischen Beziehung

Hv = 50,09 - 0,9298*(T/1000) - 65,19*(T/1000)^2 [kJ / mol]

berechnet werden.

Sublimationswärme

Bei Substanzen, die sublimieren (Phasenumwandlung von fest nach gasförmig, Beispiel: Iod), spricht man von einer Sublimationswärme, welche zusätzlich zur Verdampfungswärme auch die Schmelzwärme des Stoffes berücksichtigt.

Kondensationswärme

Kondensiert das Gas unter den selben Bedingungen wieder, so wird die zum Verdampfen aufgewandte Verdampfungswärme in Form der betragsmäßig identischen Kondensationswärme auch wieder frei. Man spricht dann anschaulich davon, dass diese Energie in Form nicht fühlbarer Latentwärme im Gas gespeichert gewesen sei. Diese Ausdrucksweise ist jedoch irreführend, da die Verdampfungswärme beim Verdampfen zum Teil in innere Energie überführt und zum Teil als mechanische Arbeit an die Umgebung abgegeben wird. Bei keiner dieser Energieformen handelt es sich um Wärme.

Verdunstungskälte

Verdampft eine Flüssigkeit in die Gasphase eines anderen Stoffes infolge der Unterschreitung ihres Sättigungsdampfdruckes in dieser Gasphase, so spricht man von Verdunstung statt Verdampfung, z. B. bei Wasser im Gasgemisch der Luft. Eine Verdunstung findet auch statt, wenn keine Verdunstungswärme von außen zugeführt wird, da sie von der mit dem Verdunsten der Moleküle verbundenen Entropieerhöhung angetrieben wird. Die Verdampfungswärme wird dann der Flüssigkeit entzogen, weshalb man sie auch Verdunstungskälte und den Vorgang selbst Evaporative cooling calls.

The liquid cooling by evaporation is z. B. the function basis of a cooling tower. With a widespread type (warmed up) cooling water is fed from above into the cooling tower. Tennis ball-large ceramic(s) filling materials in the cooling tower produce a large surface, over the water downward into a catchment basin “rieselt”. Vor Erreichen des Auffangbeckens blasen große Ventilatoren von unten Umgebungsluft in den Kühlturm. Dabei werden erhebliche Wassermengen verdampft und das Kühlwasser abgekühlt. Die Hauptmenge der notwendigen Verdampfungswärme stammt aus dem zulaufenden erwärmten Kühlwasser, nur eine geringe Teilmenge wird extern über elektr. Energie der Lüftermotoren und Außenluft zugeführt.

Auch die Kühlung z.b. des menschlichen Körpers durch die Verdunstung von Schweiss basiert auf diesem Prinzip.

tab. Übersicht Verdampfungsenthalpien der chem. Elemente

Verdampfungsenthalpie ΔHv 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:

chem. Element mol. Masse [g/mol] Sdp. [°C] ΔHv (kJ/mol) . ΔHv (kJ/g) .
1. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Wasserstoff {1} 1,008 -253°C 0,449 0,446
Lithium {3} 6,941 181°C 146 21,0
Natrium {11} 22,99 883°C 97,0 4,22
Kalium {19} 39,10 759°C 79,9 2,04
Rubidium {37} 85,47 688°C 72,2 0,845
Cäsium {55} 132,9 705°C 67,7 0,510
Francium (radioaktiv) {87} 223,0 677°C 64 0,29
2. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Beryllium {4} 9,012 2477°C 292 32,4
Magnesium {12} 24,33 1090°C 127 5,24
Calcium {20} 40,08 1484°C 154 3,83
Strontium {38} 87,62 1382°C 144 1,64
Barium {56} 137,3 1640°C 142 1,03
Radium (radioaktiv) {88} 226,0 1737°C 137 0,605
3. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Bor {5} 10,81 3927°C 490 45,3
Aluminium {13} 26,98 2467°C 293 10,9
Gallium {31} 69,72 2204°C 259 3,71
Indium {49} 114,8 2072°C 232 2,02
Thallium {81} 204,4 1473°C 164 0,803
4. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Kohlenstoff {6}12,01 ca. 4850°C 717 subl. 59,5 subl.
Silicium {14}28,09 2355°C 384 13,7
Germanium {32}72,64 2820°C 331 4,56
Zinn {50}118,7 2602°C 296 2,49
Blei {82}207,2 1749°C 178 0,858
5. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Stickstoff {7} 14,01 -196°C 2,79 0,199
Phosphor {15} 30,97 277°C 12,1 0,392
Arsen {33} 74,92 616°C subl. 34,8 0,464
Antimon {51} 121,8 1587°C 77,1 0,634
Wismut {83}209,0 1564°C 105 0,502
6. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Sauerstoff{8} 16,00 -183°C 3,41 0,213
Schwefel {16} 32,07 445°C 9,6 0,30
Selen {34} 78,96 221°C 26,3 0,333
Tellur {52} 127,6 450°C 52,6 0,412
Polonium (radioaktiv){84} 209,0 962°C 120 0,574
7. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Fluor {9}19,00 -188°C 3,27 0,172
Chlor {17} 35,45 -34°C 10,2 0,288
Brom {35}79,90 +59°C 15,4 0,193
Iod {53} 126,9 +184°C 20,8 0,164
Astat (radioaktiv) {85} 210,0 +337°C 30 0,14
8. Hauptgruppe -------- ------ ---------- ----------
Helium {1}4,003 -268°C 0,0845 0,0211
Neon {10}20,18 -246°C 1,73 0,0859
Argon {18}39,95 -186°C 6,45 0,161
Krypton {36}83,80 -153°C 9,03 0,108
Xenon {54}131,3 -108°C 12,6 0,0962
Radon (radioaktiv){86}222,0 -62°C 16,4 0,0739
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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)

chem. Element mol. Masse [g/mol] Sdp. [°C] ΔHv (kJ/mol) . ΔHv (kJ/g) .
Scandium {21} 44,96 2830°C 314 6,99
Titan {22} 47,87 3287°C 421 8,80
Vanadium {23} 50,94 3409°C 452 8,87
Chrom {24} 52,00 2672°C 344 6,62
Mangan {25} 54,94 1962°C 226 4,11
Eisen {26} 55,85 2750°C 350 6,26
Cobalt {27} 58,93 2927°C 377 6,39
Nickel {28} 58,69 2913°C 370 6,31
Kupfer {29} 63,55 2567°C 300 4,73
Zink {30} 65,41 907°C 115 1,76
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Yttrium {39} 88,91 3336°C 363 4,08
Zirkonium {40} 91,22 4409°C 591 6,47
Niob {41} 92,91 4744°C 697 7,50
Molybdän {42} 95,94 4639°C 598 6,23
Technetium {43} 98,91 4877°C 660 6,67
Ruthenium {44} 101,1 4150°C 595 5,89
Rhodium {45} 102,9 3695°C 493 4,79
Palladium {46} 106,4 2963°C 357 3,35
Silber {47} 107,9 2162°C 251 2,32
Cadmium {48} 112,4 767°C 100 0,890
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Lanthan {57} 138,9 3457°C 414 2,98
Cer {58} 140,1 3426°C 414 2,95
Praseodym {59} 140,9 3520°C 297 2,11
Neodym {60} 144,2 3100 °C 273 1,89
Promethium {61} 146,9 3-3500°C .. k.A... ....
Samarium {62} 150,4 1803°C 166 1,11
Europium {63} 152,0 1527°C 144 0,944
Gadolinium {64} 157,3 3250°C 359 2,29
Terbium {65} 158,9 3230°C 331 2,08
Dysprosium {66} 162,5 2567°C 230 1,42
Holmium {67} 164,9 2695°C 241 1,46
Erbium {68} 167,3 2510°C 193 1,15
Thulium {69} 168,9 1947°C 191 1,13
Ytterbium {70} 173,0 1194°C 127 0,733
Lutetium {71} 175,0 3395°C 356 2,03
Hafnium {72} 178,5 4603°C 575 3,22
Tantal {73} 180,9 5458°C 743 4,11
Wolfram {74} 183,8 5555°C 824 4,48
Rhenium {75} 186,2 5596°C 715 3,84
Osmium {76} 190,2 5012°C 628 3,30
Iridium {77} 192,2 4428°C 604 3,14
Platin {78} 195,1 3827°C 510 2,61
Gold {79} 197,0 2856°C 334 1,70
Quecksilber {80} 200,6 357°C 59,2 0,295
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radioaktive Elemente -------- ------ ---------- ----------
Actinium {89} 227,0 3200°C 293 1,29
Thorium {90} 232,0 4788°C 514 2,22
Protactinium {91} 231,0 4027°C 470 2,03
Uran {92} 238,0 4134°C 423 1,78
Neptunium {93} 237,0 3902°C ... k.A. ... .....
Plutonium {94} 244,1 3327°C 325 1,33
Americium {95}243,1 2607°C 239 0,981
Curium {96} 247,1 3110°C ... k.A. ... .....
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Literatur

 

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