Wärmelehre

Innere Energie - Wärmekapazität

Verdunstung

  • Was lässt sich leichter erwärmen, Wasser oder Blei?
  • Warum ist es am Meer oft wärmer als im Landesinneren?
  • Kann man Eisen mit einem Hammer zum Glühen bringen?
  • Warum schwitzen wir eigentlich im Sommer?

Verdunstung

Festlegung:
Der Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand unterhalb der Siedetemperatur wird als Verdunstung bezeichnet.

Der Verdunstungsvorgang wird gefördert durch:

  • eine geringe Feuchtigkeit der Luft über der Flüssigkeit
  • eine starke Luftbewegung über der Flüssigkeitsoberfläche
  • eine große Oberfläche der Flüssigkeit
  • einen geringen Abstand der Flüssigkeitstemperatur von der Siedetemperatur
  • durch geringe Kräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen, was sich in einer relativ niedrigen spezifischen Verdampfungswärme r äußert

Im Teilchenbild kann man sich das Verdunsten wie folgt vorstellen (vgl. vereinfachende Animation):

  • Die Teilchen in der Flüssigkeit besitzen eine Geschwindigkeitsverteilung, d.h. es kommen alle Geschwindigkeiten von sehr niedrigen bis zu sehr hohen Werten vor. In der vereinfachten Animation sind langsame (blau), schnellere (hellrot) und sehr schnelle (dunkelrot) Teilchen dargestellt. Entsprechend den Geschwindigkeiten variieren auch die kinetischen Energien der Teilchen.
  • Den schnelleren Teilchen gelingt es, trotz der Anziehungskräfte der Nachbarteilchen, die Flüssigkeit zu verlassen.
  • Solange die Flüssigkeit abgedeckt ist, hält sich die Zahl der aus der Flüssigkeit austretenden und der wieder in die Flüssigkeit zurückkehrenden Teilchen das Gleichgewicht. Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen und somit auch die Temperatur der Flüssigkeit bleibt so nach einer kurzen Einstellzeit konstant.
    Zur Erinnerung: Die Temperatur einer Flüssigkeit ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen.
  • Ist die Flüssigkeit nicht abgedeckt und weht noch dazu ein Luftzug über deren Oberfläche, so werden die schnellen aus der Flüssigkeit getretenen Teilchen über der Oberfläche entfernt. Es treten weitere schnelle Teilchen aus, die wiederum "weggeblasen" werden. Auf diese Weise sinkt in der verbleibenden Flüssigkeit die Durchschnittsgeschwindigkeit und somit auch die Temperatur der Flüssigkeit. Außerdem wird das Flüssigkeitsvolumen mit der Zeit geringer.
    Ist die Temperatur der Flüssigkeit unter die Umgebungstemperatur abgesunken, strömt Wärme von der Umgebung zur Flüssigkeit.
    Beispiel:
    Verdunstet eine Flüssigkeit auf der Haut, so strömt nach einiger Zeit Wärme von der Haut zur Flüssigkeit. Dadurch kühlt die Haut ab.
Verdunstung einer Flüssigkeit im Teilchenbild

Die Verdunstung spielt in der Natur und in unserem täglichen Leben eine wichtige Rolle. Im folgenden sind knapp einige Beispiele dargestellt.

Verdunstungskühlung

  • Zum Kühlen von Flüssigkeiten verwendet man in südlichen Ländern sehr oft poröse Tonkrüge. Die Flüssigkeit dringt in die Poren des Kruges und verdunstet dort in geringem Maße. Die hierfür notwendige Energie wird der Flüssigkeit im Krug entzogen.

 

  • Wenn Bauern im Sommer zur Feldarbeit gehen, kühlen sie ihre Getränkeflaschen, indem sie diese mit einem feuchten Handtuch umwickeln. Die Flüssigkeit im Handtuch (große Oberfläche) verdunstet. Die hierfür benötigte Energie wird der Flasche und der darin befindlichen Flüssigkeit entzogen.

 

  • Auch Wadenwickel (feuchtes Handtuch um die Wade gewickelt) zur Absenkung des Fiebers nutzen das gleich Prinzip.

 

Säugetiere wie z.B. der Mensch sind darauf angewiesen, dass ihre Körpertemperatur nur in engen Grenzen schwankt.

  • Schwitzen
    Steigt beim Menschen die Körpertemperatur deutlich über den Sollwert von ca. 37°C, so wird die Durchblutung der Haut gesteigert, damit ein erhöhter Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft möglich ist. Außerdem besitzt der Mensch mehrere Millionen Schweißdrüsen, über die er Wasser ausscheiden kann, welches verdunstet und so für eine effektive Kühlung des Körpers sorgt.

 

  • Hecheln
    Hunde haben nur an den Pfoten Schweißdrüsen, diese reichen aber nicht aus, um die Körpertemperatur zu regulieren. Also hechelt ein Hund um die Eigenwärme zu reduzieren. Bei geöffnetem Maul und heraushängender, feuchter Zunge kann er über die Verdunstung überschüssige Wärme aus dem Körper abgegeben.

 

von Stefano [CC BY-SA 2.0], via Wikimedia Commons

Wäschetrocknen
Auch das Trocknen der Wäsche würde ohne den Verdunstungsvorgang nicht funktionieren. Hier wird auch sehr deutlich, wie der Wind den Verdunstungsvorgang beschleunigt.

von Michael Gäbler [CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons

Wasserkreislauf
Die Verdunstung spielt im globalen wie im regionalen Wasserkreislauf eine wichtige Rolle. Sowohl über dem Land, insbesondere wenn es bewachsen ist, in erster Linie aber über Wasserflächen wie dem Meer verdunstet Wasser, was sich in der Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre äußert. Warme Luft kann relativ viel Wasserdampf aufnehmen. Kühlt die Luft beim Aufsteigen ab, nimmt die Speicherfähigkeit für Wasserdampf ab, es kommt zur Kondensation des Wassers (Wolkenbildung).

 

 

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