Latente Wärme

Latente Wärme, Energie, die von einem Stoff bei einer Änderung seines Aggregatzustands (Phase) aufgenommen oder abgegeben wird, ohne dass sich seine Temperatur ändert. Die latente Wärme, die beim Schmelzen eines Feststoffs oder beim Gefrieren einer Flüssigkeit entsteht, wird als Schmelzwärme bezeichnet; die latente Wärme, die beim Verdampfen einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs oder beim Kondensieren eines Dampfes entsteht, wird als Verdampfungswärme bezeichnet. Die latente Wärme wird normalerweise als Wärmemenge (in Joule oder Kalorien) pro Mol oder Masseneinheit des Stoffes ausgedrückt, der eine Zustandsänderung erfährt.

Wenn beispielsweise ein Topf mit Wasser zum Kochen gebracht wird, bleibt die Temperatur auf 100 °C (212 °F), bis der letzte Tropfen verdampft, weil die gesamte Wärme, die der Flüssigkeit zugeführt wird, als latente Verdampfungswärme aufgenommen und von den entweichenden Dampfmolekülen abgeführt wird. In ähnlicher Weise bleibt Eis beim Schmelzen auf 0 °C, und das flüssige Wasser, das durch die latente Schmelzwärme entsteht, hat ebenfalls 0 °C. Die Schmelzwärme von Wasser bei 0 °C beträgt etwa 334 Joule (79,7 Kalorien) pro Gramm, und die Verdampfungswärme bei 100 °C beträgt etwa 2.230 Joule (533 Kalorien) pro Gramm. Da die Verdampfungswärme so groß ist, enthält Wasserdampf eine große Menge thermischer Energie, die bei der Kondensation freigesetzt wird, was Wasser zu einem hervorragenden Arbeitsmittel für Wärmekraftmaschinen macht.

Die latente Wärme entsteht durch die Arbeit, die erforderlich ist, um die Kräfte zu überwinden, die die Atome oder Moleküle in einem Material zusammenhalten. Die regelmäßige Struktur eines kristallinen Festkörpers wird durch Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Atomen aufrechterhalten, die leicht um ihre durchschnittliche Position im Kristallgitter schwanken. Mit zunehmender Temperatur werden diese Bewegungen immer heftiger, bis am Schmelzpunkt die Anziehungskräfte nicht mehr ausreichen, um die Stabilität des Kristallgitters zu erhalten. Es muss jedoch zusätzliche Wärme (die latente Schmelzwärme) zugeführt werden (bei konstanter Temperatur), um den Übergang in den noch ungeordneteren flüssigen Zustand zu vollziehen, in dem die einzelnen Teilchen nicht mehr in festen Gitterpositionen gehalten werden, sondern sich frei in der Flüssigkeit bewegen können. Eine Flüssigkeit unterscheidet sich von einem Gas dadurch, dass die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen noch ausreichen, um eine weiträumige Ordnung aufrechtzuerhalten, die der Flüssigkeit einen gewissen Zusammenhalt verleiht. Wenn die Temperatur weiter steigt, wird ein zweiter Übergangspunkt (der Siedepunkt) erreicht, an dem die weiträumige Ordnung im Vergleich zu den weitgehend unabhängigen Bewegungen der Teilchen in dem viel größeren Volumen, das ein Dampf oder Gas einnimmt, instabil wird. Auch hier muss zusätzliche Wärme (die latente Verdampfungswärme) zugeführt werden, um die langreichweitige Ordnung der Flüssigkeit aufzubrechen und den Übergang in den weitgehend ungeordneten gasförmigen Zustand zu vollziehen.

Die latente Wärme steht in Zusammenhang mit anderen Prozessen als den Veränderungen zwischen den festen, flüssigen und dampfförmigen Phasen einer einzelnen Substanz. Viele Feststoffe liegen in verschiedenen kristallinen Modifikationen vor, und die Übergänge zwischen diesen sind im Allgemeinen mit der Aufnahme oder Entwicklung latenter Wärme verbunden. Der Prozess der Auflösung eines Stoffes in einem anderen ist häufig mit Wärme verbunden; handelt es sich bei dem Lösungsprozess um eine rein physikalische Veränderung, ist die Wärme eine latente Wärme. Manchmal geht der Prozess jedoch mit einer chemischen Veränderung einher, und ein Teil der Wärme ist die mit der chemischen Reaktion verbundene Wärme. Siehe auch Schmelzen.