Verdampfen und Kondensieren

Der Übergang flüssig ↔ gasförmig ist der energiereichste Aggregatzustandswechsel: Die Verdampfungswärme von Wasser ($\lambda_\mathrm{v} \approx 2256\ \mathrm{kJ/kg}$) übertrifft die Schmelzwärme fast um das Siebenfache. Verdunsten entzieht der Umgebung diese Energie (Kühlung), Kondensieren setzt sie wieder frei (Heizung): Beide Richtungen werden hier direkt beobachtet und gedeutet.

Verdunstungskühlung ist deine eingebaute Klimaanlage. Schwitzen funktioniert genau so, und dasselbe Prinzip erklärt Frösteln nach dem Schwimmen, den kühlen Spiritus auf der Haut und den Wetterbericht (Wolkenbildung heizt die Höhenluft!). Wer beide Richtungen als eine einzige Energiebuchung versteht, hat außerdem das Prinzip von Kühlschrank und Wärmepumpe schon in der Hand.

James Watt vermaß die Verdampfungswärme um 1765 und baute auf sie die getrennte Kondensation seiner Dampfmaschine. Der riesige Energiebetrag je Kilogramm Dampf ist die Leistungsdichte der Dampfkraft. Dieselbe Buchung treibt heute jede Wärmepumpe und jeden Kühlschrank: verdampfen, wo gekühlt, kondensieren, wo geheizt werden soll.

Benetze zwei Thermometerfühler (Wattebausch) mit Wasser bzw. Spiritus, verfolge beide Temperaturen über drei Minuten und prüfe anschließend die Wirkung von Fächeln.

Warum sollte Verdunsten kühlen? Im Teilchenbild hat die Flüssigkeit eine Tempoverteilung, langsame und schnelle Teilchen gemischt, und die Temperatur misst den Durchschnitt. Entkommen können der Oberfläche nur die schnellsten; sie allein überwinden die Anziehung der Nachbarn. Geht aber ständig die Spitze der Verteilung verloren, sinkt der Durchschnitt der Zurückbleibenden. Die Flüssigkeit wird kälter, ganz ohne Kältequelle. Verdunsten ist Auslese nach oben, bezahlt von den Verbliebenen.

Zwei prüfbare Vorhersagen daraus: Erstens: Spiritus-Teilchen halten schwächer zusammen (er verdunstet sichtbar schneller). Das heißt mehr Auslese pro Sekunde, also stärkere Kühlung als bei Wasser. Zweitens: Über dem Bausch sammelt sich Dampf, aus dem Teilchen auch zurückkehren. Fächeln bläst ihn weg und hält die Auslese einseitig; die Temperatur muss weiter fallen.

Gleich große Wattebäusche, gleich stark benetzt (Tropfmenge zählen); beide Thermometer vorher nebeneinander auf gleiche Raumluft-Anzeige prüfen.

Zwei Thermometer im Stativ, Fühler je in einem benetzten Wattebausch, beschriftet „Wasser“ / „Spiritus“; Fächer angedeutet.

Aufbau Variante 1: Zwei Digitalthermometer mit kleinen Wattebäuschen am Fühler, Spiritus und Wasser zum Benetzen, Fächer (Pappe). Variante 2: Becherglas mit heißem Wasser (nahe Sieden) auf der Heizplatte, kalter Metalllöffel oder Uhrglas aus dem Kühlschrank, zweites Thermometer für die Löffeltemperatur.

Raumtemperatur notieren; beide Bäusche benetzen, alle 30 s beide Temperaturen ablesen (3 min); danach den Spiritus-Bausch 30 s lang fächeln und den Tiefstwert notieren; zuletzt Bausch abnehmen und die Rückkehr zur Raumtemperatur abwarten.

Beide benetzten Fühler liegen nach drei Minuten klar unter der Lufttemperatur, der Spiritus-Fühler fast 10 K. Fächeln, das ja eigentlich „Wind machen mit Raumluft“ ist, kühlt weiter ab. Nach dem Abnehmen des Bauschs kehren beide zur Raumtemperatur zurück.

Beide Vorhersagen bestätigt: Der flüchtigere Spiritus kühlt gut doppelt so stark wie Wasser, und Fächeln senkt die Temperatur weiter, obwohl der Fächer 21,5 °C warme Luft heranweht. Warme Luft, die kühlt: Das schließt jede Erklärung über Wärmeleitung oder kalten Wind aus. Es bleibt nur die Auslese. Der Luftzug räumt den Dampf weg, mehr schnelle Teilchen entkommen pro Sekunde, und der Durchschnitt der Verbliebenen sinkt schneller, als Wärme aus der Umgebung nachsickert. Die Endtemperatur ist ein Gleichgewicht beider Ströme.

Die Energiebuchung dahinter: Jedes verdunstete Gramm Wasser nimmt seine Verdampfungswärme mit, rund $2{,}3\ \mathrm{kJ}$, entzogen dem Fühler und der Restflüssigkeit. Schon ein halbes Gramm pro Minute ist ein Kühlstrom von fast 20 W an einem winzigen Fühler. Die Größe von $\lambda_\mathrm{v}$ macht aus dem unscheinbaren Verdunsten eine kräftige Kältemaschine.

Der Körper rechnet genauso: Schwitzen kühlt exakt nach diesem Prinzip: nasse Haut, Verdunstung, Auslese. Frösteln nach dem Schwimmen, Wind-Chill auf nasser Haut, der Gefrierbeutel-Trick mit angefeuchtetem Tuch: alles dieselbe Buchung. Und schwüle Luft ist deshalb quälend, weil sie voll Dampf steckt. Die Rückkehrer gleichen die Auslese fast aus, und die Klimaanlage Haut fällt aus.

Verdunsten kühlt, weil nur die schnellsten Teilchen entkommen und die Verdampfungswärme mitnehmen. Spiritus (flüchtiger) kühlt stärker als Wasser, Luftzug verstärkt den Effekt sogar mit warmer Luft. Das ist das Funktionsprinzip des Schwitzens und die halbe Wärmepumpe.

Ein Vergleichsversuch steht und fällt mit gleichen Bedingungen: