Latente Wärme

Als latente Wärme („latent“ lat. für „verborgen“) bezeichnet man die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene oder abgegebene Energiemenge (Wärme). Latent heißt sie deshalb, weil sich dabei die Temperatur nicht ändert. Dagegen heißt die für eine Temperaturerhöhung aufgebrachte Energiemenge fühlbare Wärme.

Beispiele

Phasenübergang flüssig ↔ gasförmig: Bis zum Siedepunkt erhitztes Wasser hat bis dahin fühlbare Wärme aufgenommen. Bei weiterer Wärmezufuhr wird das Wasser nicht heißer, sondern verdampft. Als Dampf enthält das Wasser mehr Energie als vorher in flüssiger Form, obwohl der Dampf nicht heißer ist. Es kann diese verborgene Energie (unter Verflüssigung) wieder abgeben, ohne dabei abzukühlen. Die gleiche Wärmemenge heißt beim Verdampfen Verdampfungswärme, beim Verflüssigen Kondensationswärme.
Beim Phasenübergang fest ↔ flüssig heißt die latente Wärme je nach Richtung Schmelzwärme bzw. Kristallisationswärme.

Die Wärmemenge hängt von der Art des Stoffes und des Phasenüberganges ab und natürlich von der Menge der Substanz. Bezogen auf die Menge ist die Wärmemenge als spezifische latente Wärme tabelliert - für die Elemente siehe das Periodensystem der Elemente.

Einheiten

Die latente Wärme einer bestimmten Stoffmenge hat als Energie die Einheit Joule.
Die auf die Masse bezogene spezifische latente Wärme hat die Einheit Joule/Kilogramm.
Auf die Stoffmenge bezogen („molare latente Wärme“) ist die Einheit Joule/Mol.

Ursache

Die molekulare Struktur von Stoffen liefert die Erklärung, weshalb trotz Wärmetransport keine Temperaturänderung zustande kommt. Auf die Verdampfungswärme angewandt bedeutet das: Die Moleküle einer Flüssigkeit liegen viel dichter beisammen als in einem Gas. Bei der Verdampfung muss folglich der Abstand zwischen den Molekülen vergrößert werden, was mit einer Zunahme der potentiellen Energie (E_pot) einhergeht. Die dazu notwendige Arbeit wird von der zugeführten Wärmemenge verrichtet. Eine positive Temperaturänderung entspricht hingegen der kinetischen Gastheorie zufolge einer Zunahme der kinetischen Energie (E_kin) der Moleküle, was nicht direkt mit einer Abstandszunahme einhergeht.
Dieselbe Argumentation gilt auch für die Schmelzwärme und die Kristallisationswärme.

Beginnt eine kristalline Substanz zu schmelzen, dann nähert sie sich sehr schnell einem neuen, und zwar dem wahrscheinlichsten Zustand. Das ist der Makrozustand mit der größten Anzahl unterschiedlicher Anordnungsmöglichkeiten der Teilchen (Mikrozustände). Vom energetischen Standpunkt aus ist die Aufteilungen zwischen E_kin und E_pot nicht festgelegt. Aber in einem Zustand höherer potenzieller Energie können sich die Gitterbausteine von ihren Plätzen entfernen. Dies ermöglicht eine sehr große Anzahl neuer räumlicher Anordnungen und macht diesen Zustand wahrscheinlicher. Weitere zugeführte Energie wird so lange in potenzielle umgewandelt, so lange neue Mikrozustände gebildet werden können. Da nur Stöße Energie auf ein Thermometer übertragen können, die Bewegungsenergie während des Schmelzens aber nicht ansteigt, bleibt die Temperatur konstant.

Bedeutung

Die latente Wärme spielt vor allem in der Meteorologie eine wichtige Rolle, in Bezug auf die Phasenübergänge des Wassers in der Erdatmosphäre. Auf einer feuchten Erdoberfläche oder gar Wasserfläche wird ein Großteil der Sonnenenergie in die Verdunstung von Wasser investiert. Dabei werden bei 20 °C etwa 2450 Kilojoule pro Kilogramm Wasser umgesetzt. Eine Änderung der Lufttemperatur tritt dabei nicht auf, die Energie wird also sozusagen im gasförmigen Aggregatzustand des Wassers gespeichert. Da diese Speicherung reversibel ist, wird die gleiche Energiemenge wieder frei, wenn ein aufsteigendes Luftpaket das Kondensationsniveau erreicht und der Wasserdampf kondensiert. Die ursprünglich am Boden durch die Sonneneinstrahlung bereitgestellte Energie wird also in größeren Höhen wieder frei und trägt dort zu einer Temperaturerhöhung bei. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, die Atmosphäre wird also nach oben langsamer kälter, als ohne die latente Wärme bei einem trockenadiabatischen Gradienten zu erwarten wäre. Das Verhältnis von fühlbarer zu latenter Wärme ist das Bowen-Verhältnis.

Latente Energie ist Ursache der außerordentlich hohen Wärmeleitung eines Wärmerohres.

Siehe auch

Latentwärmespeicher

Weblinks

WEBGEO-Modul: Energieumsätze bei den Phasenübergängen des Wassers -- WEBGEO - E-Learning-Portal für Geographie und Nachbarwissenschaften