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Latente Wärme


Als latente Wärme („latent“ lat. für „verborgen“) bezeichnet man die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene oder abgegebene Energiemenge (Wärme) in der Einheit Joule. Während des Phasenübergangs ändert sich die Temperatur nicht. Sie hängt ab von der Art des Phasenüberganges und des Stoffes sowie von seiner Menge.

Dagegen heißt die für eine Temperaturerhöhung aufgebrachte Energiemenge fühlbare Wärme und ihr Verhältnis zur latenten Wärme Bowen-Verhältnis.

Beispiele

  • Phasenübergang flüssig ↔ gasförmig: Bis zum Siedepunkt erhitztes Wasser hat bis dahin fühlbare Wärme aufgenommen. Bei weiterer Wärmezufuhr wird das Wasser nicht heißer, sondern verdampft. Als Dampf enthält das Wasser mehr Energie als vorher in flüssiger Form, obwohl der Dampf nicht heißer ist. Es kann diese verborgene Energie (bei der Kondensation) wieder abgeben, ohne dabei abzukühlen. Die gleiche Wärmemenge heißt beim Verdampfen Verdampfungswärme, beim Verflüssigen Kondensationswärme.
  • Beim Phasenübergang fest ↔ flüssig heißt die latente Wärme je nach Richtung Schmelzwärme bzw. Kristallisationswärme.

Spezifische latente Wärme

Die latente Wärme ist als spezifische Größe tabelliert, d. h. als Wärmemenge bezogen auf eine bestimmte Menge eines Stoffes – zu finden z. B. im Periodensystem der Elemente:

  • die auf die Masse bezogene spezifische latente Wärme hat die Einheit Joule/Kilogramm.
  • die auf die Stoffmenge bezogene spezifische latente Wärme („molare latente Wärme“) hat die Einheit Joule/Mol.

Ursache

Die molekulare Struktur von Stoffen liefert die Erklärung, weshalb trotz Wärmetransport keine Temperaturänderung zustande kommt. Auf die Verdampfungswärme angewandt bedeutet das: Die Moleküle einer Flüssigkeit liegen viel dichter beisammen als in einem Gas. Folglich muss bei der Verdampfung der Abstand zwischen den Molekülen vergrößert werden, was mit einer Zunahme der potentiellen Energie (Epot) einhergeht. Die dazu notwendige Arbeit wird von der zugeführten Wärmemenge verrichtet.

Eine positive Temperaturänderung entspricht hingegen der kinetischen Gastheorie zufolge einer Zunahme der kinetischen Energie Ekin der Moleküle, was nicht direkt mit einer Abstandszunahme einhergeht.

Dieselbe Argumentation gilt auch für die Schmelz- und die Kristallisationswärme:

Beginnt eine kristalline Substanz zu schmelzen, dann nähert sie sich sehr schnell einem neuen, und zwar dem wahrscheinlichsten Zustand. Das ist der Makrozustand mit der größten Anzahl unterschiedlicher Anordnungsmöglichkeiten (Mikrozustände) der Teilchen. Vom energetischen Standpunkt aus ist die Aufteilung zwischen Ekin und Epot nicht festgelegt. Aber in einem Zustand höherer potenzieller Energie können sich die Gitterbausteine von ihren Plätzen entfernen. Dies ermöglicht eine sehr große Anzahl neuer räumlicher Anordnungen und macht daher diesen Zustand wahrscheinlicher als einen mit hoher kinetischer Energie. Zugeführte Energie wird also so lange in potenzielle umgewandelt, wie neue Mikrozustände gebildet werden können. Da nur Stöße Energie auf ein Thermometer übertragen können, die Bewegungsenergie während des Schmelzens aber nicht ansteigt, bleibt die Temperatur konstant.

Bedeutung

Die latente Wärme spielt vor allem in der Meteorologie eine wichtige Rolle, in Bezug auf die Phasenübergänge des Wassers in der Erdatmosphäre. Auf einer feuchten Erdoberfläche oder gar Wasserfläche wird ein Großteil der Sonnenenergie in die Verdunstung von Wasser investiert. Dabei werden bei 20 °C etwa 2450 Kilojoule pro Kilogramm Wasser umgesetzt. Eine Änderung der Lufttemperatur tritt dabei nicht auf, die Energie wird also sozusagen im gasförmigen Aggregatzustand des Wassers gespeichert.

Da diese Speicherung reversibel ist, wird die gleiche Energiemenge wieder frei, wenn ein aufsteigendes Luftpaket das Kondensationsniveau erreicht und der Wasserdampf kondensiert. Die ursprünglich am Boden durch die Sonneneinstrahlung bereitgestellte Energie wird also in größeren Höhen wieder frei und trägt dort zu einer Temperaturerhöhung bei. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, die Atmosphäre wird also nach oben langsamer kälter, als ohne die latente Wärme bei einem trockenadiabatischen Gradienten zu erwarten wäre.

Latente Energie ist Ursache der außerordentlich hohen Wärmeleitung eines Wärmerohres.

Siehe auch

Weblinks


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