Welcher Phasenübergang setzt Energie frei?

Welche Phasenübergänge setzen Energie frei? – Ein genauerer Blick auf die latente Wärme

Phasenübergänge, also der Wechsel eines Stoffes zwischen verschiedenen Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig und plasmaförmig), sind allgegenwärtige Phänomene, die von der Bildung von Schnee bis hin zum Kochen von Wasser reichen. Dabei spielt die latente Wärme eine entscheidende Rolle. Während viele wissen, dass bei Phasenübergängen Energie umgesetzt wird, ist die Frage, ob Energie freigesetzt oder aufgenommen wird, oft weniger klar. Dieser Artikel klärt auf, welche Übergänge Energie freisetzen und warum.

Die entscheidende Größe ist die latente Wärme, die als die Energiemenge definiert ist, die pro Masseneinheit eines Stoffes benötigt wird, um einen Phasenübergang bei konstanter Temperatur durchzuführen. Es ist wichtig zu verstehen, dass sich während eines Phasenübergangs die Temperatur des Stoffes nicht ändert, obwohl Energie zugeführt oder abgeführt wird. Diese Energie wird stattdessen verwendet, um die zwischenmolekularen Kräfte zu verändern, die die Struktur des Stoffes definieren.

Phasenübergänge mit Energiefreisetzung (exotherme Übergänge):

• Kondensation: Wenn ein Gas in einen flüssigen Zustand übergeht (z.B. Wasserdampf, der zu Wasser kondensiert), werden die Gasmoleküle durch die Anziehungskräfte zwischen ihnen näher zusammengebracht. Diese Annäherung setzt Energie in Form von Wärme frei. Die Umgebung erwärmt sich, während der Dampf kondensiert. Wolkenbildung ist ein anschauliches Beispiel dafür.

• Gefrieren (Erstarrung): Beim Gefrieren ordnen sich die flüssigen Moleküle in einem festen Gitter an. Dieser Übergang von ungeordneter zu geordneter Struktur führt ebenfalls zur Freisetzung von Energie. Man denke an die Wärme, die beim Gefrieren von Wasser abgegeben wird und beispielsweise in Kühltruhen genutzt werden kann.

• Sublimation (Resublimation, umgekehrte Sublimation): Wenn ein Gas direkt in einen festen Zustand übergeht (z.B. Wasserdampf zu Eis), wird Energie freigesetzt. Dieser Prozess ist zwar weniger häufig als Kondensation oder Gefrieren, aber ebenso exotherm. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung von Raureif.

Phasenübergänge mit Energieaufnahme (endotherme Übergänge):

Im Gegensatz dazu benötigen Phasenübergänge vom festen zum flüssigen (Schmelzen), vom flüssigen zum gasförmigen (Verdampfen) und vom festen zum gasförmigen Zustand (Sublimation) Energiezufuhr, um die zwischenmolekularen Kräfte zu überwinden und die Moleküle weiter auseinander zu bringen.

Zusammenfassend:

Die Phasenübergänge Kondensation, Gefrieren und die umgekehrte Sublimation setzen Energie in Form von Wärme frei. Sie sind exotherme Prozesse. Die benötigte Energie für den umgekehrten Prozess (Verdampfung, Schmelzen, Sublimation) wird dem System zugeführt. Die Menge der freigesetzten oder aufgenommenen Energie hängt dabei von der spezifischen Substanz und der Masse ab. Das Verständnis der latenten Wärme ist essentiell, um viele natürliche und technologische Prozesse zu erklären und zu kontrollieren.