Verdunsten und Sieden

In Leadville in Colorado, auf etwa 3100 m Höhe, beträgt der Luftdruck etwa 68 kPa. Wasser siedet dort bei ungefähr 90 °C.

Eine Pfütze trocknet auch an einem kühlen Tag aus, ohne auch nur annähernd 100 °C zu erreichen. Ein Topf Wasser auf dem Herd bleibt dagegen ruhig, bis bei etwa 100 °C Blasen aufsteigen. Beides ist Verdampfen, also der Übergang von flüssig zu gasförmig. Doch die Vorgänge unterscheiden sich. Verdunsten findet nur an der Oberfläche statt und ist bei jeder Temperatur möglich. Beim Sieden entstehen im gesamten Inneren der Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur Dampfblasen. Diese Temperatur hängt vom Druck über der Flüssigkeit ab.

Verdunstung und Dampfdruck

In jeder Flüssigkeit bewegen sich die Moleküle unterschiedlich schnell. Einige Moleküle an der Oberfläche sind schnell genug, um sich von ihren Nachbarn zu lösen und in die Luft zu entweichen. Das ist Verdunstung. Weil zuerst die schnellsten Moleküle entweichen, sinkt die mittlere Energie der zurückbleibenden Moleküle. Die Flüssigkeit kühlt ab. So wirkt auch Schweiß. Nach einer Schätzung von OpenStax entzieht das Verdunsten von 1.5 L Schweiß in heißem Klima dem Körper etwa 3600 kJ Wärme.

In einer geschlossenen Flasche sammeln sich die entweichenden Moleküle über der Flüssigkeit. Einige gelangen wieder in die Flüssigkeit zurück. Schließlich kehren pro Sekunde genauso viele zurück, wie entweichen. Der Druck des Dampfes in diesem Zustand heißt Dampfdruck der Flüssigkeit. Er hängt vom Stoff und von der Temperatur ab, nicht von der Größe der Flasche. Flüssigkeiten mit schwachen Anziehungskräften zwischen ihren Molekülen haben einen hohen Dampfdruck: Bei 20 °C beträgt er für Methanol 11.9 kPa und für Ethanol 5.95 kPa. Beim Erwärmen haben mehr Moleküle genug Energie zum Entweichen. Der Dampfdruck steigt.

Der Druck über der Flüssigkeit bestimmt das Sieden

Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck dem Umgebungsdruck entspricht. Dann können sich in ihrem Inneren Dampfblasen bilden, ohne zusammengedrückt zu werden. Der Normalsiedepunkt ist der Siedepunkt bei 1 atm, also 101.3 kPa. Für Wasser liegt er bei 100 °C. Hoch im Gebirge ist der Luftdruck geringer, deshalb siedet Wasser bei niedrigerer Temperatur: In Leadville liegt der Druck bei etwa 68 kPa und der Siedepunkt bei ungefähr 90 °C. Ein Schnellkochtopf bewirkt das Gegenteil. Er hält den Dampf zurück und erhöht den Druck. Dadurch kann Wasser vor dem Sieden heißer als 100 °C werden.

Verdampfen braucht viel Energie, mehr als Schmelzen. Alle Anziehungskräfte zu benachbarten Molekülen müssen überwunden und nicht nur gelockert werden. Die Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt bei 25 °C 44.01 kJ/mol und am Siedepunkt 40.67 kJ/mol. Zum Vergleich: Eis zu schmelzen erfordert 6.01 kJ/mol. Ein Mol Wasser zu verdampfen braucht also fast siebenmal so viel Energie wie ein Mol Eis zu schmelzen. Beim Kondensieren, dem Übergang von gasförmig zu flüssig, wird diese Energie wieder frei. Deshalb sind Verbrühungen durch Dampf schlimmer als durch Wasser derselben Temperatur.

Ohne flüssige Zwischenstufe

Manche Feststoffe werden unmittelbar gasförmig. Das nennt man Sublimation. Trockeneis, also festes Kohlenstoffdioxid, verschwindet bei Raumtemperatur langsam, ohne eine Pfütze zu hinterlassen. Die Daten des NIST erklären, warum: Kohlenstoffdioxid kann nur oberhalb von 5.185 bar flüssig sein, also bei etwa dem Fünffachen des normalen Luftdrucks. Bei 1 atm geht es daher bei etwa −78 °C direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Seine Sublimationsenthalpie beträgt 26.1 kJ/mol. Der umgekehrte Vorgang, unmittelbar von gasförmig zu fest, heißt Resublimation. So entsteht in einer kalten, klaren Nacht Reif an einer Autoscheibe.