Verdampfen

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Als Verdampfen oder auch Sieden bezeichnet man den Übergang eines Reinstoffes vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand am Siedepunkt und eines Stoffgemisches im Siedebereich. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Verdampfung, die während des Verdampfungsprozesses vorliegenden Temperatur- und Druckbedingungen als Siedepunkt und die erforderliche Energie als Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie.

Unterschieden wird das Verdampfen vom Verdunsten, bei dem der Übergang in den gasförmigen Zustand ohne Erreichen des Siedepunktes erfolgt. Den Übergang eines Stoffes in Gegenrichtung zur Verdampfung, also vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand, bezeichnet man als Kondensation.

[Bearbeiten] 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/Xylol, ändert sich während der Verdampfung, sofern nicht aus einer kontinuierlich zuströmenden Menge verdampft wird, die Konzentration der Komponenten und damit auch der Siedepunkt und die Verdampfungsenthalpie, weshalb man in der Folge auch von einem Siedebereich anstatt eines Siedepunktes spricht. Das thermodynamische Gleichgewicht verschiebt sich dabei zu der schwerersiedenden Komponente der flüssigen Phase, was man als Siedepunktserhöhung bezeichnet. Jedoch sollte man bedenken, das immer die Masse des Stoffes zu der Verdampfungsenthalpie dazu multipliziert werden muss.

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

[Bearbeiten] 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 Wärmeaustausch mit der 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.

[Bearbeiten] 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