Physik Realschule Bayern › Energie › Jahrgangsstufe 9
Schmelz- und Verdampfungsenergie
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 9 · Bayern · Teilbereich Energie
Im Lernbereich Wärmelehre der 9. Jahrgangsstufe beschreiben Lernende Aggregatzustandsänderungen im Teilchenmodell und erkennen, dass die Temperatur beim Schmelzen und Sieden konstant bleibt. Mit Schmelz- und Verdampfungsenergie berechnen sie den Energiebedarf für Zustandsänderungen.
Aggregatzustände ändern sich bei fester Temperatur
Führt man einem Körper ständig Wärme zu, steigt seine Temperatur, bis er den Schmelzpunkt oder den Siedepunkt erreicht. Dort bleibt die Temperatur konstant, obwohl weiter Wärme zugeführt wird, bis der Aggregatzustand vollständig gewechselt hat. Diese Wärme steckt nicht in höherer Teilchengeschwindigkeit, sondern wird gebraucht, um die Teilchen aus ihrer festen Ordnung zu lösen oder ganz voneinander zu trennen.
Merke: Beim Schmelzen und Verdampfen bleibt die Temperatur konstant. Die zugeführte Wärme erhöht nicht die Bewegungsenergie der Teilchen, sondern ihre Lageenergie (Abstände nehmen zu).
Beispiel 1: Die Erwärmungskurve von Eis zu Wasserdampf
Eis von \(-20\,^\circ\mathrm{C}\) wird gleichmäßig erwärmt, bis es als Dampf vorliegt. Das Diagramm zeigt die Temperatur über der zugeführten Wärme. Was bedeuten die waagrechten Abschnitte?
Antwort: Die schrägen Abschnitte sind das Erwärmen von Eis, Wasser und Dampf. Die beiden waagrechten Abschnitte sind das Schmelzen bei \(0\,^\circ\mathrm{C}\) und das Sieden bei \(100\,^\circ\mathrm{C}\): Hier ändert sich die Temperatur trotz Wärmezufuhr nicht, weil die Energie für den Zustandswechsel gebraucht wird.
Schmelzenergie und Verdampfungsenergie
Die Wärme, die zum vollständigen Schmelzen (ohne Temperaturänderung) nötig ist, heißt Schmelzenergie; die zum Verdampfen nötige Verdampfungsenergie. Sie sind der Masse proportional:
\( W_{\mathrm{Schmelz}}=q_{\mathrm{s}}\cdot m\qquad W_{\mathrm{Verdampf}}=q_{\mathrm{v}}\cdot m \)
Die spezifische Schmelz- bzw. Verdampfungsenergie \(q\) gibt die Energie pro Kilogramm an. Für Wasser sind das \(q_{\mathrm{s}}=334\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\) (Schmelzen) und \(q_{\mathrm{v}}=2256\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\) (Verdampfen). Das Verdampfen braucht also besonders viel Energie.
Beispiel 2: Eis schmelzen
Wie viel Wärme braucht man, um \(0{,}5\,\mathrm{kg}\) Eis von \(0\,^\circ\mathrm{C}\) zu Wasser von \(0\,^\circ\mathrm{C}\) zu schmelzen? \(\left(q_{\mathrm{s}}=334\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\right)\)
Gegeben: \(m=0{,}5\,\mathrm{kg}\), \(q_{\mathrm{s}}=334\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\)
Gesucht: Schmelzwärme \(W_{\mathrm{Schmelz}}\)
Formel: \(W_{\mathrm{Schmelz}}=q_{\mathrm{s}}\cdot m\)
\( W_{\mathrm{Schmelz}}=334\,\mathrm{\tfrac{kJ}{kg}}\cdot 0{,}5\,\mathrm{kg}=167\,\mathrm{kJ} \)
Antwort: Es sind \(167\,\mathrm{kJ}\) nötig, obwohl sich die Temperatur gar nicht ändert. Dieselbe Energie würde \(0{,}5\,\mathrm{kg}\) Wasser um etwa \(80\,^\circ\mathrm{C}\) erwärmen.
Beispiel 3: Vom Eis zum heißen Wasser in drei Schritten
Wie viel Wärme braucht man insgesamt, um \(1{,}0\,\mathrm{kg}\) Eis von \(-20\,^\circ\mathrm{C}\) in Wasser von \(100\,^\circ\mathrm{C}\) zu verwandeln? \(\left(c_{\mathrm{Eis}}=2{,}1,\ c_{\mathrm{W}}=4{,}182\,\mathrm{\frac{kJ}{kg\cdot K}},\ q_{\mathrm{s}}=334\,\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\right)\)
Die Kurve zerfällt in drei Schritte, die einzeln berechnet und addiert werden:
1. Eis erwärmen von \(-20\,^\circ\mathrm{C}\) auf \(0\,^\circ\mathrm{C}\):
\( W_1=2{,}1\cdot 1{,}0\cdot 20=42\,\mathrm{kJ} \)
2. Eis schmelzen bei \(0\,^\circ\mathrm{C}\):
\( W_2=334\cdot 1{,}0=334\,\mathrm{kJ} \)
3. Wasser erwärmen von \(0\,^\circ\mathrm{C}\) auf \(100\,^\circ\mathrm{C}\):
\( W_3=4{,}182\cdot 1{,}0\cdot 100\approx 418\,\mathrm{kJ} \)
\( W_{\mathrm{gesamt}}=42+334+418=794\,\mathrm{kJ} \)
Antwort: Insgesamt sind etwa \(794\,\mathrm{kJ}\) nötig. Der Schmelzschritt allein verschlingt mehr Energie als das Erwärmen des Eises. Würde man das Wasser anschließend noch verdampfen, kämen über \(2256\,\mathrm{kJ}\) hinzu.
Beispiel 4: Warum Schwitzen kühlt
Warum fühlt man sich kühler, wenn Schweiß auf der Haut verdunstet?
Antwort: Zum Verdampfen braucht das Wasser viel Energie (Verdampfungswärme). Diese entzieht es der Haut, die dadurch abkühlt. Aus demselben Grund kühlt nasse Kleidung aus und ein Verdunstungskühler funktioniert. Umgekehrt gibt kondensierender Wasserdampf diese Wärme wieder ab, weshalb heißer Dampf gefährliche Verbrühungen verursacht.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Temperatur steigt beim Schmelzen: Nein, während des Schmelzens und Siedens bleibt sie konstant.
- Schmelzenergie mit Erwärmung verwechselt: Für den Zustandswechsel \(W=q\cdot m\) (ohne \(\Delta\vartheta\)), für das Erwärmen \(W=c\cdot m\cdot\Delta\vartheta\).
- Nur einen Schritt gerechnet: Bei einem Weg über mehrere Zustände jeden Abschnitt einzeln berechnen und addieren.
- Einheiten von \(q\) und \(c\) verwechselt: \(q\) in \(\mathrm{\frac{kJ}{kg}}\) (pro Masse), \(c\) in \(\mathrm{\frac{kJ}{kg\cdot K}}\) (pro Masse und Grad).
- Verdampfen unterschätzt: Das Verdampfen von Wasser braucht ein Vielfaches der Schmelzenergie.
Üben: Aufgaben zu Schmelz- und Verdampfungsenergie
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zu Schmelz- und Verdampfungswärme sowie zu mehrstufigen Erwärmungskurven, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Mischungsgesetz
Nächstes Thema: Magnetfeld von Leiter und Spule
Grundlage: Spezifische Wärmekapazität
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