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.

Halte ein kaltes Uhrglas mit angelegtem Temperaturfühler über dampfendes Wasser, beobachte die Tropfenbildung und verfolge die Temperatur der Glasfläche.

Die Vorhersage aus der Energiebuchung: Verdampfen hat Energie gekostet (Variante 1). Wenn Dampfteilchen sich an der kalten Fläche wieder zur Flüssigkeit zusammenfinden, muss genau dieser Betrag wieder frei werden. Die Fläche dürfte also nicht nur nass, sondern auffällig schnell warm werden, schneller, als bloßer Kontakt mit warmer Luft sie heizen könnte.

Woher kommen die Tropfen wirklich? Eine beliebte Fehlvorstellung lautet: „Das Glas schwitzt“ oder „Wasser schlägt durch“. Die Gegenprobe steckt im Versuch. Die Tropfen erscheinen nur auf der dem Dampf zugewandten kalten Seite, und ein vorgewärmtes Glas beschlägt nicht. Es ist Dampf aus der Luft, der an der kalten Fläche vom Gas- in den Flüssigzustand wechselt.

Uhrglas im Kühlschrank vorkühlen; Temperaturfühler mit Klebeband auf der Oberseite (dampfabgewandt) befestigen, damit er die Glastemperatur misst, nicht den Dampf; Klammer als Halter.

Becherglas mit dampfendem Wasser, darüber schräg das kalte Uhrglas mit Fühler auf der Oberseite; Dampfpfeile nach oben, Tropfen an der Unterseite.

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.

Glastemperatur notieren (kühlschrankkalt); Uhrglas etwa 10 cm über das dampfende Wasser halten; Beschlag und Tropfenbildung beobachten, Temperatur alle 15 s ablesen; zur Gegenprobe dasselbe mit einem auf Handwärme vorgewärmten zweiten Uhrglas in gleicher Höhe.

Das kalte Glas erwärmt sich in einer Minute um fast 30 K, weit schneller, als es die dünne Warmluftschicht allein könnte, und genau solange es kräftig beschlägt. Das warme Glas bleibt zunächst trocken und wird kaum wärmer.

Die Rückzahlung ist nachgewiesen: Nass wurde nur die kalte Fläche, denn Kondensation braucht eine Fläche unterhalb einer Grenztemperatur (des Taupunkts). Und die kalte Fläche heizte sich dabei rasant auf: Jedes kondensierende Gramm liefert seine $2{,}3\ \mathrm{kJ}$ Kondensationswärme direkt ans Glas ab. Sobald das Glas selbst zu warm ist, endet der Beschlag; der Vorgang schaltet sich selbst ab. Genau das zeigt die Gegenprobe mit dem handwarmen Glas.

Vom Uhrglas zum Wetter: Der beschlagene Badezimmerspiegel, Tau auf morgenkalten Autodächern, die Wolke am aufsteigenden, sich abkühlenden Luftpaket: Überall kondensiert Dampf an oder in kälterer Umgebung, und überall wird dabei die Verdampfungswärme frei. In der Gewitterwolke heizt diese Rückzahlung die Luft und treibt den Aufwind weiter an. Die beim Verdunsten über dem Meer „verschwundene“ Sonnenenergie wird kilometerhoch wieder ausgezahlt.

Warum Dampf gefährlicher ist als kochendes Wasser: Beide haben 100 °C, aber Dampf übergibt beim Kondensieren auf der Haut zuerst die komplette Kondensationswärme (2256 kJ/kg) und dann erst die Abkühlwärme des entstandenen Heißwassers. Je Gramm überträgt kondensierender Dampf ein Mehrfaches; deshalb die strenge Sicherheitsregel im Umgang mit Dampf.

Wasserdampf kondensiert nur an ausreichend kalten Flächen und gibt dabei die volle Verdampfungswärme zurück: Das kalte Uhrglas wurde nass und schnell warm, das warme blieb trocken. Verdampfen und Kondensieren sind eine Energiebuchung in zwei Richtungen, von der Schwitz-Kühlung bis zur Gewitterheizung.

Bei diesem qualitativen Versuch entscheidet, was der Fühler wirklich misst: