Kondensieren und Verdampfen sowie Schmelzen und Erstarren

Fach Fach

Klasse 9

Autor Joker2017

Veröffentlicht am 06.05.2018

Schlagwörter

Kondensieren Verdampfen Schmelzen Erstarren Kühlschrank Wärmepumpe

Zusammenfassung

Dieses Referat erklärt die drei verschiedenen Aggregatzustande und was bei den Prozessen Kondensieren und Verdampfen sowie Schmelzen und Erstarren physikalisch und chemisch betrachtet geschieht. Außerdem wird die Funktionsweise des Kühlschranks erklärt.

Kondensieren und Verdampfen, Schmelzen und Erstarren

Es gibt drei verschiedene Aggregatzustände, diese sind fest, flüssig und gasförmig. Körper ihre ursprünglichen Aggregatzustände unter dem Einfluss bestimmter physikalischer Vorgänge verändern. So kann zum Beispiel aus einem festen Körper, durch Erhitzen ein flüssiger Körper werden. Umgekehrt gilt dies auch. Bei extrem kalten Temperaturen gefrieren Flüssigkeiten und so werden aus ihnen feste Körper. Ein weiteres Beispiel für das Ändern eines Aggregatzustand ist, das verdampfen einer Flüssigkeit bei starkem erhitzen. Prozesse des Kondensierens und Verdampfens gibt es im Alltag viele. Einige Beispiele sind Wäsche auf dem Wäschestande, die Wasser abgibt oder eine beschlagene Brille, welche im Zimmer mit Raumtemperatur wieder klar wird.

In diesen Beispielen wird das Wasser zu Wasserdampf, ohne dass es siedet. Verdampfen tritt bei allen Flüssigkeiten auf sowie bei allen Temperaturen. Kühlt Wasserdampf sich an kühleren Glasflächen ab, so wird es wieder zu Wasser, es kondensiert also. Das Verdampfen ist am stärksten, wenn die Flüssigkeiten sieden. Hierbei bleibt die Temperatur konstant. Sie beträgt bei Normaldruck 100°C für Wasser. Die hinzugeführte Energie wird für den Prozess des Verdampfens benötigt. Bei geringem Druck können die Teilchen leichter aus der Flüssigkeit entweichen, sodass auch langsamere Teilchen die Chance haben, zu verdampfen. Daher können Flüssigkeiten auch schon bei niedrigen Temperaturen sieden.

Beim Schmelzen oder Erstarren, ändert sich die Temperatur eines Körpers nicht. Dies ist erscheint zunächst ungewöhnlich, das dem Körper Energie zugeführt bzw. entzogen wird. Mit Hilfe des Teilchenmodells ergibt sich: feste Körper bestehen aus Teilchen, die fest an ihre Plätze gebunden sind und dort lediglich die Möglichkeit haben, etwas zu schwingen. Diese Schwingung wird schneller, je höher die Temperatur ist. Sobald die am stärksten schwingenden Teilchen genug Energie haben, reißen sie sich von ihrem Platz los. Der Körper fängt an der Stelle an zu Schmelzen. Die Energie für diesen Prozess muss dem Körper von außen zugeführt werden.

Diese trägt jedoch nicht zur Erhöhung der Temperatur bei. Während des Schmelzvorgangs bleibt die Temperatur gleich, weil die zugeführte Energie komplett zur Überwindung der Bindung gebraucht wird. Das Erstarren ist der umgekehrte Vorgang, die Flüssigkeit gibt den gleichen Betrag an Energie ab. In Ausnahmefällen, kann es passieren, dass eine Flüssigkeit nicht erstarrt, obwohl die Schmelztemperatur bereits erreicht wurde oder teilweise sogar unterschritten wurde. Dies liegt daran, dass sich die Teilchen der Flüssigkeit nicht so anordnen können, wie dies für einen Festkörper nötig ist. Die Zugabe fester Kristalle ermöglicht den Übergang in einen festen Zustand.

Die zum Schmelzen benötigte Temperatur ist proportional zu der Masse des Körpers. Zum Schmelzen von 1g Eis wird eine Energie von 335J benötigt.

Die oben beschriebenen Prozesse kommen auf natürliche und auf künstliche Art und Weise zu Stande. Einige Eigenschaften dieser Prozesse macht werden in der Technik genutzt. Ein Beispiel ist die Kühlung durch Verdampfen, welches wie folgt veranschaulicht wird. Wenn eine Person nass ins Freie geht, beginnt sie in der Regel recht schnell zu frieren. Dies liegt daran, dass die Wasserteilchen zum Übergang in den gasförmigen Zustand Energie benötigen. Diese wird dem Wasser und der menschlichen Haut entzogen. Daher kühlt die Haut sich ab. Dieser Prozess und dessen Eigenschaften kommt in der Technik beim Kühlschrank vor. Im Innenraum des Kühlschranks ist ein System, welches aus einigen Rohrleitungen besteht. Diese sind die Verdampfer, denn in ihnen verdampft das Kühlmittel.

Es siedet bei Normaldruck bei ca. -30°C. Beim Verdampfer kühlt das flüssige Kühlmittel ab und damit auch der Verdampfer insgesamt. Das warme Luft des Innenraums gibt Energie an den Verdampfer ab, hierdurch kann das Kühlmittel weiter verdampfen. Dies hat zur Folge, dass der Innenraum noch kälter wird. Das mittlerweile gasförmige Kühlmittel wird nun vom Kompressor angesaugt. Dieser verrichtet am Gas Arbeit, indem es sie zusammendrückt und dann weiterleitet. Der Druck steigt und wird so stark erhört, dass die Siedetemperatur des Kühlmittels über der Raumtemperatur liegt. Das erwärmte und zusammengedrückte Kühlmittel wird in den außenliegenden Rohren, dem sogenannten Verflüssiger heruntergekühlt. Hierbei gibt es Energie an die Umgebung ab und zwar genau soviel, dass es wieder flüssig wird. Über die Rohrleitung wird die unter starkem Druck stehende Flüssigkeit zum Verdampfer weitergeleitet.

Der Druckminderer des Kühlschranks verringert den Druck derart stark, dass die Siedetemperatur von dem Kühlmittel wieder auf -30°C sinkt. In diesem Moment beginnt der zuvor beschriebene Prozess erneut und wird immer wieder wiederholt. Es handelt sich also um einen Kreislauf, bei dem es durch Druckänderung unterschiedliche Siedetemperaturen gibt. Der Kühlvorgang wird vorübergehend unterbrochen, wenn ein Zweimetallschalter den Kompressor ausschaltet, weil die für den Innenraum eingestellte Kühltemperatur erreicht ist. Bei einem Kühlschrank wird durch Arbeit einer Pumpe, eines Kompressors, Energie aus dem Innenraum in den Außenraum übergeleitet. Mit einem ähnlichen Prozess lässt sich einem System auch Energie aus einem kühleren Bereich entziehen und in einem wärmeren Bereich zuführen. Dies macht sich in der Technik die Wärmepumpe zur Nutze.

Eine Wärmepumpe entzieht über ihren Verdampfer einem kälteren Bereich, wie zum Beispiel der Erde, der Luft oder dem Grundwasser Energie. Diese wird über den Verflüssiger von einem dünnen Rohr im Inneren eines dickeren Rohres zum Verdampfer weitergeleitet. Dort strömt es vom Verdampfer zur Pumpe zurück. Die Flüssigkeit wird hierbei noch weiter herunter gekühlt. Der Druck sinkt, so dass die Aufnahmefähigkeit für innere Energie aus dem abzukühlenden Innenraum ansteigt. Moderne Kühlmittel haben eine Siedetemperatur, welche sie für den Kreislauf im Kühlschrank passend macht.