Heat of Phase Changes

00:01 Unser zweites Thema in dieser letzten Vorlesung bezieht sich darauf, wie ein Stoff seinen Aggregatzustand verändert.

00:07 Wenn wir zum Beispiel eine Tasse mit flüssigem Wasser haben und dieses Wasser erhitzen, sodass es zu kochen beginnt, wird ein Teil dieses Wassers zu Dampf. Es handelt sich dabei um Wasser in einem anderen Aggregatzustand.

00:18 Es liegt nun eine Gasphase statt einer flüssigen Phase vor.

00:21 Die Temperatur des Wassers war zwar direkt am Siedepunkt, von dem wir bereits wissen, dass er 100 Grad Celsius beträgt, allerdings besitzt das flüssige Wasser eine andere Wärmeenergie als das gasförmige Wasser, obwohl sie genau die gleichen Temperaturen haben.

00:40 Dies ist wieder eines dieser verwirrenden Prinzipien, dass die Temperatur sowohl für das flüssige Wasser, das sich direkt am Siedepunkt befindet, als auch für den gasförmigen Wasserdampf gleich sein kann, wohingegen die Energiezustände variieren können.

00:53 Merken Sie sich also, dass die Wärme, die einer Energieeinheit entspricht, die einem System hinzugefügt wird, und die Temperatur eines Systems zwei verschiedene Größen sind.

01:01 Wir können dies auch auf eine andere Art und Weise betrachten, indem wir uns ein Diagramm anschauen.

01:04 In diesem Diagramm sehen wir eine horizontale Achse, die die Temperatur eines Systems, in diesem Fall Wasser, darstellt.

01:10 Auf der vertikalen Achse sehen wir die Wärmezufuhr aufgezeichnet.

01:14 Betrachten wir beispielhaft den festen Aggregatzustand von Wasser, also Eis: Die Temperatur steigt kontinuierlich an, wenn wir langsam Wärme zuführen.

01:25 Es passiert etwas sehr Interessantes, wenn wir an die Grenze kommen, an der der Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Zustand oder vom flüssigen zum gasförmigen Zustand stattfindet.

01:33 Beachten Sie, dass sich die Temperatur an diesem Punkt nicht ändert.

01:37 Wir befinden uns entweder am Gefrierpunkt oder am Siedepunkt des Wassers, aber wir müssen viel mehr Wärme hinzufügen.

01:43 Wir müssen dem Stoff, in dem Fall also Wasser, mehr Energie geben.

01:44 Dabei fließt die gesamte Energie nur in die Veränderung des Aggregatzustandes ein.

01:49 Um zum Beispiel von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit überzugehen, würden wir zwar bei null Grad Celsius bleiben, aber wir müssen eine gewisse Menge an Wärme zuführen, damit der Feststoff in die flüssige Phase übergeht.

02:01 Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Feststoff zu schmelzen, wird als Schmelzwärme bezeichnet.

02:06 Ähnlich verhält es sich mit der Wärme, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand zu überführen und somit das Wasser zum Kochen zu bringen.

02:12 Sie wird Verdampfungswärme genannt, da das Wasser verdampft wird.

02:17 Beachten Sie also auch hier die etwas verwirrende Tatsache, dass sich Materialien bei einer bestimmten Temperatur, besonders bei null Grad Celsius oder bei 100 Grad Celsius, in unterschiedlichen Energiezuständen befinden können.

02:29 Diese unterschiedlichen Energiemengen entsprechen den Aggregatzuständen der jeweiligen Substanz.

02:33 Sie entscheiden darüber, in welcher der zwei möglichen Phasen sich die Substanz befindet.

02:37 Die Wärmemenge, die einem Stoff zugeführt wird, sei es die Verdampfungswärme oder die Schmelzwärme, wird in der Regel pro Substanzmenge gemessen.

02:46 Anstelle von Joule wird die Energiemenge, die Sie benötigen, normalerweise in Joule pro Mol oder Joule pro Gramm des Stoffes, den Sie haben, gemessen.

02:55 Hier steht also, dass die Wärme, die man hinzufügen muss, in Joule pro Mol angegeben wird.

02:58 Deswegen muss in dem Diagramm der Kleinbuchstaben "n" stehen, weil wir mit der Stoffmenge multiplizieren.

03:04 Wie erwähnt, sind generell die Einheiten Mol oder Gramm gestattet. Sie müssen nur gegebenenfalls Umrechnungen betreiben, um die tatsächliche Wärmemenge zu erhalten, die Sie hinzufügen müssen, um einen Phasenwechsel zu erzeugen.

03:16 Wir wissen nun also, wie man bei einer bestimmten Temperatur von der festen in die flüssige Phase übergeht.

03:22 Wir haben auch schon gelernt, wie wir die Temperaturen ändern können, ohne dabei die Phase zu ändern.

03:28 Wir wissen nämlich, wie die Wärme und die Temperatur zusammenhängen, da wir bereits über die spezifische Wärmekapazität und die Wärmekapazität gesprochen haben.

03:35 Nun können Sie herausfinden, wie viel Wärme Sie dem Wasser hinzufügen müssen, um es von null Grad Celsius in der flüssigen Phase zu 100 Grad Celsius in der flüssigen Phase zu erhitzen.

03:48 Dies gelingt Ihnen durch die alleinige Verwendung der Variable c.

03:50 Die hinzugefügte Wärme ist gleich der Menge, die wiederum in Mol oder Gramm angegeben wird, mal der spezifischen Wärmekapazität c mal der Temperaturänderung, die in diesem Fall gleich 100 Grad Celsius beziehungsweise 100 Kelvin beträgt.

04:04 Ob Sie Grad Celsius oder Kelvin als Einheit verwenden, hängt davon ab, in welcher Einheit Sie das c, also die spezifische Wärmekapazität, haben.

04:11 Besonders in biologischer Hinsicht ist das eben besprochene Prinzip sehr nützlich.

04:14 Lassen Sie uns beispielhaft über die Verdunstung sprechen, die auch als Schwitzen bezeichnet wird.

04:19 Damit, wenn Sie Wasser oder eine Flüssigkeit auf der Hautoberfläche haben, das Wasser seine Phase ändert und in die Atmosphäre gelangt, muss es die richtige Temperatur haben.

04:31 Diese muss wiederum nicht unbedingt dem tatsächlichen Siedepunkt des Wassers entsprechen.

04:35 Die Verdunstung hängt vom Druck und einer Reihe von anderen Faktoren in der Umgebung ab.

04:40 Somit kann das Wasser die Haut verlassen und verdampfen, auch wenn es nicht kocht.

04:44 Damit es Ihre Haut verlässt, muss es von einer Flüssigkeit in ein Gas übergehen, um in der Luft zu einem Dampf zu werden.

04:51 Um den Aggregatzustand zu ändern, muss es Ihrem Körper Energie entziehen.

04:55 Es muss das n-fache der Verdampfungswärme annehmen, wobei die Stoffmenge als "n" dargestellt wird.

05:02 Wenn der Schweiß also versucht, den Körper zu verlassen, entzieht er dem Körper eine Menge Energie.

05:07 Dies ist eine sehr effiziente Kühlmethode, da so der Haut Energie entzogen wird.

05:12 Eiswürfel in einem Getränk funktionieren nach demselben Prinzip.

05:16 Das Eis in einer Flüssigkeit muss von einer sehr niedrigen Temperatur, da es aus der Gefriertruhe kommt, auf die Temperatur der Flüssigkeit ansteigen, in die Sie das Eis gegeben haben.

05:26 Dabei muss es zusätzlich den Aggregatzustand wechseln und von einem festen in einen flüssigen Aggregatzustand übergehen.

05:33 Bei dem Prozess der Umwandlung von festem Eis in flüssiges Wasser benötigt der Eiswürfel eine Menge Energie, die er dem Getränk entzieht.

05:42 Dadurch wird das Getränk immer kühler während der Eiswürfel darin schmilzt.

05:45 Vielleicht haben Sie schon einmal versucht, Eiswürfel aus einem anderen Material, zum Beispiel Marmor oder Stein, zu verwenden und dabei gemerkt, dass sie möglicherweise die gleiche Wärmekapazität haben.

05:52 Wenn sie also ihre Temperatur von der niedrigen Temperatur, wenn sie aus dem Gefrierschrank kommen, ändern und an die Temperatur des Getränks anpassen, verbrauchen sie möglicherweise die gleiche Menge an Energie wie der Eiswürfel.

06:00 Allerdings haben sie diesen Schmelzeffekt nicht.

06:02 Die nötige Verdunstungswärme wird dem Getränk nicht entzogen.

06:05 Sie sind folglich möglicherweise nicht so effektiv, selbst wenn sie die gleiche Wärmekapazität haben.