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Vaporisation

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Einleitung

Du untersuchst in diesem vollständigen Lernkurs den Phasenübergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand. In der Physik heißt dieser Vorgang Verdampfen oder Vaporisation. Er begegnet dir beim Trocknen nasser Kleidung, beim Kochen, in einer Sauna, im Wettergeschehen und in technischen Anlagen.

Der Kurs richtet sich an Lernende der Sekundarstufe I und II sowie an Auszubildende in naturwissenschaftlich-technischen Berufen. Du lernst, Verdunsten und Sieden zu unterscheiden, Teilchenmodelle zu nutzen und den Einfluss von Energie und Druck zu erklären. Für die Experimente brauchst du nur einfache, ungefährliche Materialien. Arbeite niemals unbeaufsichtigt mit kochendem Wasser oder heißen Oberflächen.

Lernziele

Du beschreibst Verdampfen als Übergang von flüssig zu gasförmig.
Du erklärst Verdunstung und Sieden mithilfe des Teilchenmodells.
Du deutest Siedepunkt, Dampfdruck und Verdampfungsenthalpie.
Du wertest Beobachtungen und einfache Messdaten aus.
Du überträgst die Erkenntnisse auf Alltag, Wetter und Technik.

Was bedeutet Verdampfen?

Verdampfen ist der Phasenübergang eines Stoffes aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand. Der Stoff bleibt dabei derselbe: Wasser wird zu Wasserdampf, nicht zu einem neuen Stoff. Es handelt sich um eine physikalische Zustandsänderung. Der umgekehrte Übergang von gasförmig zu flüssig heißt Kondensation.

Im Teilchenmodell bestehen Flüssigkeiten aus Teilchen, die dicht beieinanderliegen und sich gegeneinander bewegen. In einem Gas sind die Teilchen im Mittel viel weiter voneinander entfernt und bewegen sich frei. Beim Verdampfen müssen Teilchen die Anziehungskräfte ihrer Nachbarn überwinden. Dafür ist Energie nötig.

Energie auf Teilchenebene

Die Teilchen einer Flüssigkeit besitzen nicht alle dieselbe Bewegungsenergie. Einige bewegen sich langsamer, andere schneller. An der Oberfläche können besonders energiereiche Teilchen die Flüssigkeit verlassen. Das geschieht bereits unterhalb des Siedepunkts und wird Verdunstung genannt.

Beim Sieden bilden sich dagegen Dampfblasen im gesamten Flüssigkeitsvolumen. Die Blasen können wachsen und aufsteigen, wenn der Dampfdruck im Inneren groß genug ist, um dem äußeren Druck und dem Druck der Flüssigkeit standzuhalten.

Fachbegriffe sauber unterscheiden

Verdampfen: Oberbegriff für den Übergang flüssig zu gasförmig.
Verdunsten: Verdampfen an der Oberfläche, auch unterhalb des Siedepunkts.
Sieden: Verdampfen im gesamten Flüssigkeitsvolumen unter Bildung von Dampfblasen.
Wasserdampf: gasförmiges Wasser. Er ist unsichtbar. Der sichtbare weiße „Dampf“ über einem Wasserkocher besteht überwiegend aus kleinen kondensierten Wassertröpfchen in der Luft.

Verdunstung und Sieden im Vergleich

Verdunstung findet an der freien Oberfläche einer Flüssigkeit statt. Sie kann bei vielen Temperaturen ablaufen. Wie schnell sie abläuft, hängt unter anderem von der Temperatur, der Größe der Oberfläche, der Luftbewegung und der Luftfeuchtigkeit ab. Eine warme, große und gut belüftete nasse Fläche trocknet meist schneller als eine kalte, kleine Fläche in feuchter, ruhiger Luft.

Sieden setzt ein, wenn der Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit den auf ihr lastenden Druck erreicht. Dann können sich Dampfblasen im Inneren bilden und wachsen. Für reines Wasser beträgt der normale Siedepunkt bei einem Druck von 101,325 kPa ungefähr 100 °C. Der Siedepunkt ist also nicht unter allen Bedingungen gleich.

Animation: besonders schnelle Teilchen verlassen die Flüssigkeit; die verbleibende Flüssigkeit kühlt ab. Datei: Evaporativecooling.gif, CC0.

Warum Verdunstung kühlt

Wenn besonders energiereiche Teilchen entweichen, sinkt die mittlere Bewegungsenergie der zurückbleibenden Teilchen. Die Flüssigkeit kühlt ab, sofern nicht genügend Wärme aus der Umgebung nachgeliefert wird. Dieses Phänomen heißt Verdunstungskühlung.

Du kennst es vom Schwitzen: Schweiß verdunstet auf der Haut und entzieht ihr Energie. Auch ein feuchtes Tuch kann durch Verdunstung kühlen. Die Animation zeigt ein Teilchenmodell: Die hell dargestellten, schnelleren Teilchen haben eine größere Wahrscheinlichkeit, die Flüssigkeit zu verlassen.

Hörbeispiel: Wasser auf heißen Steinen

Das folgende Geräusch wurde beim Aufgießen von Wasser auf einen Saunaofen aufgenommen. Achte auf das Zischen und Knistern. Es ist ein akustischer Eindruck eines schnellen Verdampfungs- und Siedevorgangs, aber keine Messung der Temperatur.

Hörbeispiel: Wasser verdampft auf heißen Steinen. Aufnahme: natalie, PDSounds, gemeinfrei.

Energiebedarf und Verdampfungsenthalpie

Für das Verdampfen muss Energie zugeführt werden. Bei einer festgelegten Temperatur und einem festgelegten Druck beschreibt die spezifische Verdampfungsenthalpie die Energie, die benötigt wird, um eine bestimmte Masse einer Flüssigkeit vollständig in Dampf umzuwandeln. Das Formelzeichen ist häufig $L$ oder $\\Delta h_v$, die Einheit ist Joule pro Kilogramm (J/kg).

Für eine Masse $m$ gilt bei konstanten Bedingungen näherungsweise:

$Q = m \\cdot L$

Dabei ist $Q$ die zugeführte Energie, $m$ die Masse und $L$ die spezifische Verdampfungsenthalpie. Für Wasser beträgt sie am normalen Siedepunkt ungefähr 2257 kJ/kg. Das bedeutet: Um 1 kg Wasser bei 100 °C in Wasserdampf bei 100 °C umzuwandeln, sind etwa 2257 kJ nötig. Zusätzlich wäre Energie nötig, um das Wasser zunächst von einer niedrigeren Temperatur auf 100 °C zu erwärmen.

Temperatur während des Siedens

Bei reinem Wasser und annähernd konstantem Normaldruck bleibt die Temperatur während des Siedens ungefähr konstant, solange Flüssigkeit und Dampf gleichzeitig vorhanden sind. Die zugeführte Energie wird dann vor allem für den Phasenübergang benötigt und nicht für eine weitere Erhöhung der Temperatur.

Die Kurve hilft dir, Erwärmung und Phasenübergang auseinanderzuhalten. Bei einer Lösung kann der Temperaturverlauf anders sein als bei einem reinen Stoff. Achte darauf, dass die Abbildung zwei unterschiedliche Stoffsysteme vergleicht.

Beispielrechnung

Ein Wasserkocher verdampft 0,20 kg Wasser bei 100 °C. Verwende $L = 2257\\,\\mathrm{kJ/kg}$.

$Q = m \\cdot L = 0{,}20\\,\\mathrm{kg} \\cdot 2257\\,\\mathrm{kJ/kg} = 451{,}4\\,\\mathrm{kJ}$

Für den Phasenübergang werden in diesem vereinfachten Modell 451,4 kJ benötigt. Wärmeverluste an die Umgebung sind dabei nicht berücksichtigt.

Dampfdruck, Siedepunkt und Anwendungen

Über einer Flüssigkeit befinden sich stets einige Teilchen in der Gasphase. In einem geschlossenen Gefäß können gasförmige Teilchen auch wieder in die Flüssigkeit zurückkehren. Wenn Verdampfen und Kondensieren gleich häufig stattfinden, liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor. Der Druck des Dampfes in diesem Gleichgewicht heißt Sättigungsdampfdruck.

Der Sättigungsdampfdruck steigt mit der Temperatur. Sieden tritt ein, wenn er den äußeren Druck erreicht. Wird der äußere Druck kleiner, sinkt deshalb der Siedepunkt. In großer Höhe siedet Wasser bei einer niedrigeren Temperatur als auf Meereshöhe. In einem Druckkochtopf ist der Druck höher; Wasser siedet dort erst bei einer höheren Temperatur.

Anwendungen im Alltag und in der Technik

Wetter und Wasserkreislauf: Wasser verdunstet von Meeren, Seen und Böden. Wasserdampf kann aufsteigen, abkühlen und zu Wolkentröpfchen kondensieren.
Trocknung: Luftbewegung führt feuchte Luft von einer Oberfläche weg. Dadurch kann weitere Flüssigkeit verdunsten.
Kühlung: Verdunstung entzieht einer Oberfläche Energie. Das wird in Verdunstungskühlern und beim Schwitzen genutzt.
Destillation: Eine Flüssigkeit wird verdampft und der Dampf anschließend gezielt kondensiert, um Stoffe aufgrund unterschiedlicher Flüchtigkeit zu trennen.
Druckkochtopf: Ein höherer Druck erhöht den Siedepunkt des Wassers und ermöglicht eine höhere Gartemperatur.

Video: Verdunsten oder Sieden?

Das englischsprachige Video von Wayne Breslyn vergleicht beide Vorgänge anhand von Wasser. Achte besonders auf den Ort der Dampfblasen, die Temperaturabhängigkeit und die Energieübertragung. Die Videobeschreibung nennt die wesentlichen Unterschiede und Gemeinsamkeiten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Was bezeichnet Verdampfen? (Den Übergang von flüssig zu gasförmig) (!Den Übergang von fest zu flüssig) (!Den Übergang von gasförmig zu flüssig) (!Eine chemische Reaktion mit Sauerstoff)

Wo findet Verdunstung hauptsächlich statt? (An der Oberfläche der Flüssigkeit) (!Nur am Boden des Gefäßes) (!Im gesamten Flüssigkeitsvolumen mit Dampfblasen) (!Ausschließlich bei 100 °C)

Welche Aussage über Sieden ist richtig? (Beim Sieden entstehen Dampfblasen im Flüssigkeitsvolumen.) (!Sieden findet nur an der Oberfläche statt.) (!Sieden ist unabhängig vom äußeren Druck.) (!Sieden kann nur bei 100 °C stattfinden.)

Warum kann Verdunstung eine Flüssigkeit abkühlen? (Teilchen mit hoher Bewegungsenergie verlassen bevorzugt die Flüssigkeit.) (!Alle Teilchen verlieren gleichzeitig ihre Masse.) (!Die Flüssigkeit nimmt dabei chemisch Sauerstoff auf.) (!Die Umgebungstemperatur steigt automatisch an.)

Was geschieht mit dem Siedepunkt von Wasser, wenn der äußere Druck sinkt? (Er sinkt.) (!Er steigt.) (!Er bleibt immer exakt bei 100 °C.) (!Er wird unabhängig von der Stoffart.)

Welche Größe beschreibt die Energie für den Phasenübergang einer bestimmten Masse? (Die Verdampfungsenthalpie) (!Die elektrische Leitfähigkeit) (!Die Dichte der Luft) (!Die Schmelztemperatur)

Was passiert während des Siedens von reinem Wasser bei konstantem Normaldruck idealisiert mit der Temperatur? (Sie bleibt während des Phasenübergangs ungefähr konstant.) (!Sie steigt unbegrenzt weiter.) (!Sie fällt sofort auf 0 °C.) (!Sie wechselt bei jeder Blase zufällig.)

Welche Bedingung begünstigt eine schnellere Verdunstung? (Eine größere Oberfläche und bewegte, trockene Luft) (!Eine kleinere Oberfläche und feuchte, ruhige Luft) (!Eine vollständig abgedeckte Oberfläche) (!Eine niedrigere Temperatur bei sonst gleichen Bedingungen)

Was ist sichtbarer weißer Nebel über einem Wasserkocher überwiegend? (Kleine Wassertröpfchen, die aus Wasserdampf kondensiert sind) (!Unsichtbarer reiner Wasserdampf) (!Rauch aus verbranntem Wasser) (!Sauerstoffblasen in der Luft)

Warum siedet Wasser im Druckkochtopf bei einer höheren Temperatur? (Weil der höhere äußere Druck einen höheren Sättigungsdampfdruck erfordert.) (!Weil Wasser dort keine Wärme aufnimmt.) (!Weil der Druck die Masse des Wassers vergrößert.) (!Weil Verdunstung im Topf chemisch verhindert wird.)

Memory-Spiel

Ordne jeden Begriff seiner passenden Erklärung zu. Jeder Begriff und jede Erklärung kommt nur einmal vor.

Verdunstung	Verdampfen an der Flüssigkeitsoberfläche
Sieden	Verdampfen im gesamten Flüssigkeitsvolumen mit Blasenbildung
Kondensation	Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand
Dampfdruck	Druck, den der Dampf einer Substanz ausübt
Verdampfungsenthalpie	Energie für den Phasenübergang einer bestimmten Stoffmenge
Verdunstungskühlung	Abkühlung durch bevorzugtes Entweichen energiereicher Teilchen

Drag and Drop: Begriffe zuordnen

Ordne die Beschreibungen den passenden Begriffen zu.

Begriff	Beschreibung
Verdampfen	Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand
Verdunsten	Oberflächenprozess, der auch unterhalb des Siedepunkts abläuft
Sieden	Bildung und Aufsteigen von Dampfblasen im Flüssigkeitsvolumen
Kondensieren	Übergang eines Gases oder Dampfes in eine Flüssigkeit
Verdunstungskühlung	Abkühlung, weil energiereiche Teilchen entweichen

Kreuzworträtsel

Trage jeweils einen passenden Fachbegriff ein.

Verdunsten	Wie heißt das Verdampfen an der Oberfläche unterhalb des Siedepunkts?
Siedepunkt	Wie heißt die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit bei gegebenem Druck siedet?
Dampfdruck	Wie heißt der Druck, den der Dampf einer Flüssigkeit ausübt?
Kondensation	Wie heißt der Übergang vom gasförmigen zum flüssigen Zustand?
Enthalpie	Welche thermodynamische Zustandsgröße beschreibt Energie und Volumenarbeit?
Wärme	Wie nennt man Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird?

LearningApps

Nutze die Suche nach interaktiven Übungen zu Verdampfen, Verdunstung und Sieden. Prüfe bei einer gefundenen Übung, ob die Begriffe fachlich korrekt verwendet werden.

Lückentext

Vervollständige den Text mit den passenden Fachbegriffen. Jede Lücke prüft einen zentralen Gedanken aus den Lernkapiteln.

Der Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand heißt

. Beim

verlassen Teilchen die Flüssigkeit an ihrer Oberfläche. Dieser Vorgang ist nicht auf den Siedepunkt beschränkt. Beim

entstehen Dampfblasen im gesamten Flüssigkeitsvolumen. Der Siedepunkt hängt vom äußeren

ab. Sinkt der Druck, sinkt normalerweise auch der Siedepunkt. Für den Phasenübergang wird

benötigt. Die dafür charakteristische Energie pro Masse heißt spezifische

. Entweichen besonders energiereiche Teilchen, kann die verbleibende Flüssigkeit durch

abkühlen. Der umgekehrte Übergang von Dampf zu Flüssigkeit heißt

.

Offene Aufgaben

Leicht

Verdunstung im Alltag beobachten: Beobachte eine kleine Wasserpfütze oder ein feuchtes Tuch über einen festgelegten Zeitraum. Notiere Ort, Wetter, Oberfläche und Veränderungen. Erkläre, woran du Verdunstung erkennst.
Zwei Verdunstungsbedingungen vergleichen: Lege zwei gleich große feuchte Tücher an unterschiedliche Orte, beispielsweise in einen schattigen und einen luftigen Bereich. Vergleiche die Trocknung, ohne die Tücher zu erhitzen.
Begriffe illustrieren: Gestalte eine beschriftete Skizze, die Verdunsten, Sieden und Kondensieren voneinander unterscheidet. Nutze Pfeile und Teilchenbilder.
Ein Erklärposter erstellen: Erstelle ein Poster für jüngere Lernende, das erklärt, warum Wäsche auch ohne Kochen trocknet. Verwende mindestens drei korrekte Fachbegriffe.

Standard

Verdunstungsversuch planen: Plane einen sicheren Vergleich, bei dem du nur einen Einflussfaktor wie Luftbewegung oder Oberfläche veränderst. Formuliere Hypothese, Messmethode, Kontrollbedingungen und mögliche Fehlerquellen.
Temperatur und Verdunstung untersuchen: Vergleiche die Verdunstung aus zwei flachen Schalen an unterschiedlich warmen, aber sicheren Orten. Miss die Masse in gleichen Zeitabständen und stelle die Ergebnisse grafisch dar.
Sauna-Audio analysieren: Höre das eingebundene Geräusch von Wasser auf heißen Steinen. Beschreibe hörbare Merkmale und erläutere, welche physikalischen Vorgänge plausibel sind und welche Aussagen das Audio allein nicht belegen kann.
Video fachlich kommentieren: Erstelle eine kurze kommentierte Zusammenfassung des Videos zu Verdunsten und Sieden. Nenne zwei Gemeinsamkeiten, drei Unterschiede und eine Frage, die das Video offenlässt.

Schwer

Druck und Siedepunkt modellieren: Entwickle ein qualitatives Modell, das erklärt, warum Wasser in großer Höhe bei niedrigerer Temperatur siedet und im Druckkochtopf bei höherer Temperatur. Kennzeichne Annahmen und Grenzen.
Verdampfungsenergie berechnen: Berechne die Energie für mehrere Wassermassen mit der angegebenen spezifischen Verdampfungsenthalpie. Vergleiche die Ergebnisse und erläutere, welche Wärmeverluste in einem realen Gerät auftreten.
Kühltechnik bewerten: Vergleiche Verdunstungskühlung mit einer technischen Kühlmethode. Beurteile Energiebedarf, Wasserverbrauch, Luftfeuchtigkeit und Einsatzbedingungen.
Wetterdaten interpretieren: Untersuche öffentlich verfügbare Temperatur- und Feuchtedaten einer Region. Erkläre, wie Temperatur, Luftbewegung und relative Luftfeuchte die Verdunstung beeinflussen können. Trenne Beobachtung und Schlussfolgerung.

Lernkontrolle

Verdunsten und Sieden unterscheiden: Ein Becherglas mit Wasser verliert bei Raumtemperatur langsam Masse. Erkläre mithilfe des Teilchenmodells, warum dies auch ohne sichtbare Blasen geschieht, und grenze den Vorgang vom Sieden ab.
Einfluss des Drucks erklären: Vergleiche das Sieden von Wasser auf einem hohen Berg und in einem Druckkochtopf. Begründe die Unterschiede über Sättigungsdampfdruck und äußeren Druck.
Messdaten auswerten: Zwei gleich große Wassermengen verdunsten unter verschiedenen Bedingungen. Entwickle eine Auswertung, die den Einfluss von Temperatur oder Luftbewegung prüft, und benenne mindestens zwei Störgrößen.
Energiebilanz erstellen: Berechne die Energie, die zum Verdampfen einer gegebenen Wassermasse nötig ist. Erkläre, weshalb ein realer Wasserkocher mehr elektrische Energie aufnehmen muss als die ideale Phasenübergangsenergie.
Modellgrenzen beurteilen: Beurteile, welche Aspekte des Verdampfens das einfache Teilchenmodell gut erklärt und welche Details es nicht quantitativ vorhersagt.
Anwendung übertragen: Erkläre, weshalb Schweiß bei trockener bewegter Luft oft besser kühlt als bei warmer, feuchter und windstiller Luft. Nutze die Begriffe Verdunstungsrate und Energieübertragung.

Lernnachweis

Du kannst deinen Lernerfolg anhand folgender Produkte und Kompetenzen zeigen:

Fachwissen: Du definierst Verdampfen, Verdunsten, Sieden, Kondensation, Dampfdruck und Verdampfungsenthalpie präzise.
Modellkompetenz: Du nutzt ein Teilchenmodell, um den Energieaustausch und die Unterschiede zwischen Oberflächenverdunstung und Sieden zu erklären.
Experimentierkompetenz: Du formulierst Hypothesen, kontrollierst Variablen, erhebst Messwerte und beurteilst Messunsicherheiten.
Mathematische Kompetenz: Du verwendest $Q=m\\cdot L$, rechnest mit Einheiten und interpretierst Größenordnungen.
Kommunikation: Du erstellst eine verständliche Skizze, ein Poster, eine Grafik oder eine Videoerklärung mit korrekten Fachbegriffen.
Transfer: Du erklärst Beispiele aus Wetter, Kühlung, Trocknung, Kochen oder Destillation mit den erarbeiteten physikalischen Prinzipien.

Ein aussagekräftiger Lernnachweis verbindet eine fachlich korrekte Erklärung mit einer Beobachtung, einem Modell oder einer nachvollziehbaren Rechnung.

OER und Wikipedia

Weiterführende deutschsprachige Ressourcen

Verdampfen – Wikipedia: Überblick über den Phasenübergang, Verdunstung und Sieden.
Verdunstung – Wikipedia: Oberflächenverdunstung und Verdunstungskühlung.
Verdampfungsenthalpie – Wikipedia: Energiebedarf des Phasenübergangs.
Wasserdampf – Wikipedia: Eigenschaften und thermodynamische Zusammenhänge.

Eingebundene Medien und Rechtehinweise

Datei / Medium	Quelle	Urheber	Lizenz / Rechte
File:Wasser verdampft.jpg	Wikimedia Commons	Wikpeded	Gemeinfrei, vom Urheber weltweit in die Public Domain entlassen
File:Vapor pressure.svg	Wikimedia Commons	HellTchi	CC BY-SA 3.0
File:Curva di riscaldamento.png	Wikimedia Commons	AGeremia	CC BY-SA 4.0
File:Evaporativecooling.gif	Wikimedia Commons	Ursprünglich Berto; bearbeitet von Leonel Sohns	CC0 1.0
File:Water vaporizing on hot stones.ogg	Wikimedia Commons; PDSounds	natalie	Gemeinfrei, vom Urheber veröffentlicht
YouTube: aXO7AcL7_Vc	Videoseite	Wayne Breslyn (Dr. B.)	YouTube-Einbettung; Rechte des Videos verbleiben bei den Rechteinhabern

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