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Kristallisationswärme


Die Kristallisationwärme (auch Erstarrungwärme oder Gefrierwärme genannt) wird freigesetzt, wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändert. Auf Grund des Energieerhaltungssatzes ist die beim Kristallisieren bzw. Erstarren frei werdende Energie betragsmäßig gleich groß wie die für das Schmelzen des Stoffes aufzuwendende Energie (Schmelzwärme), jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen:

[math]Q_\mathrm{kristallisation} = - Q_\mathrm{schmelz} \lt 0[/math]

Die Vorzeichen beziehen sich dabei jeweils auf den Stoff, der seinen Aggregatzustand wechselt, ohne dass sich dabei seine Temperatur ändert (latente Wärme). Das umgebende System erlebt dagegen genau die entgegengesetzte Energieänderung, weil es die vom erstarrenden Stoff abgegebene Energie in Form von Wärme aufnimmt ([math]Q_{\mathrm{kristallisation},\mathrm{System}} \gt 0[/math], s. u.). Hier kann sich die aufgenommene Energie als Temperaturanstieg auswirken (fühlbare Wärme).

Die spezifische Erstarrungswärme (und damit auch die spezifische Schmelzwärme), d. h. die Wärme pro Masse, ist stoffabhängig (Liste z. B. unter Schmelzwärme).

Der einzige bekannte Stoff mit positiver Erstarrungswärme in einem bestimmten Bereich ist das Helium-Isotop 3He, d. h. es gefriert unterhalb von 0,3 K bei Wärmezufuhr (Pomerantschuk-Effekt).

Anwendung

Praktisch lässt sich das Phänomen der Kristallisationswärme bei der Unterkühlung von Wasser beobachten: Wird Wasser erschütterungsfrei und langsam gekühlt, gefriert es bei null Grad Celsius nicht. Es lässt sich auf diese Weise bis auf einige Grad unter Null abkühlen (ohne „Anlagerungsstellen“ – ähnlich „Kondensationskeimen“ – ist sogar eine Unterkühlung bis −30 °C möglich, bevor sich die Wassermoleküle in ein Kristallgitter einordnen). Dann kann beispielsweise eine Erschütterung die Kristallisation spontan auslösen. Durch die frei werdende Energie steigt die Temperatur auf null Grad.

Dieser Effekt wird beispielsweise im Obstbau genutzt: bei Frostgefahr werden die Blüten bzw. Früchte dauernd mit Wasser berieselt. Die beim Gefrieren des Wassers frei werdende Kristallisationswärme schützt die Pflanzenteile vor Frostschäden.

Ein anderer Anwendungsbereich der Kristallisationswärme sind regenerierbare Handwärmer. Diese sind mit einer Salz-Lösung gefüllt, die unter Wärmeabgabe kristallisiert, wenn beim Knicken eines in der Lösung befindlichen Metallplättchens eine Erschütterung ausgelöst wird.


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