11.12: Heiz- und Kühlkurven

Wenn ein Stoff – isoliert von seiner Umgebung – Wärmeveränderungen ausgesetzt wird, werden entsprechende Temperatur- und Phasenänderungen des Stoffes beobachtet; Dies wird durch Heiz- und Kühlkurven grafisch dargestellt.

Beispielsweise erhöht die Zufuhr von Wärme die Temperatur eines Feststoffs; Die aufgenommene Wärmemenge hängt von der Wärmekapazität des Festkörpers ab (q = mc_solidΔT). Gemäß der Thermochemie ist die Beziehung zwischen der von einer Substanz absorbierten oder abgegebenen Wärmemenge q und der damit einhergehenden Temperaturänderung ΔT:

Dabei ist m die Masse des Stoffes und c seine spezifische Wärme. Die Beziehung gilt für Materie, die erhitzt oder abgekühlt wird, aber ihren Zustand nicht ändert.

Wenn die Temperatur hoch genug ist, beginnt der Feststoff zu schmelzen (Abbildung 1, Punkt A). Die absorbierte Wärme hängt von der Wärmekapazität des Feststoffs ab (q = mc_solidΔT), und an seinem Schmelzpunkt wird ein Plateau beobachtet. Das Plateau zeigt einen Zustandswechsel von fest zu flüssig an, bei dem die Temperatur aufgrund der Schmelzwärme nicht ansteigt (q = mΔH_fusion). Mit anderen Worten, ein weiterer Wärmegewinn ist das Ergebnis einer Verringerung der intermolekularen Anziehungskräfte und nicht einer Erhöhung der kinetischen Energien der Molekulare. Folglich bleibt die Temperatur eines Stoffes konstant, während er seinen Zustand ändert.

Sobald der Feststoff vollständig geschmolzen ist (Abbildung 1, Punkt B), beginnt sich die Flüssigkeit zu erwärmen und die Temperatur steigt an. Die aufgenommene Wärme hängt von der Wärmekapazität der Flüssigkeit ab (q = mc_liquidΔT). Wenn die Flüssigkeit ihren Siedepunkt erreicht, beginnt die Flüssigkeit zu verdampfen (Abbildung 1, Punkt C) und die Temperatur bleibt trotz fortgesetzter Wärmezufuhr konstant. Ein weiteres Plateau (konstante Temperatur) wird am Siedepunkt der Flüssigkeit während des Übergangs von Flüssigkeit zu Gas aufgrund der Verdampfungswärme (q = mΔH_vap) beobachtet. Die gleiche Temperatur wird von der Flüssigkeit aufrechterhalten, solange sie kocht. Bei schnellerer Wärmezufuhr steigt die Temperatur der Flüssigkeit nicht, sondern das Sieden wird heftiger (schneller). Nachdem die gesamte Flüssigkeit verdampft ist (Abbildung 1, Punkt D), steigt die Temperatur des Gases.

Abbildung 1. Die repräsentative Erwärmungskurve für einen Stoff stellt Temperaturänderungen dar, die entstehen, wenn der Stoff zunehmende Wärmemengen absorbiert. Plateaus in der Kurve (Bereiche konstanter Temperatur) treten auf, wenn die Substanz Phasenübergänge durchläuft.

Dieser Text wurde adaptiert von Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions

Das Erhitzen oder Kühlen eines Stoffes führt zu Temperaturänderungen, gefolgt von Phasenwechseln.

Das Erhitzen eines Stoffes erhöht die Wärmeenergie seiner Moleküle, die sich als Temperaturanstieg bis zu einem Übergangspunkt widerspiegelt.

Wenn die Substanz genügend Wärme aufgenommen hat, werden die Anziehungskräfte zwischen ihren Molekülen überwunden, was zu einem Phasenübergang bei konstanter Temperatur führt.

Ist der Übergang abgeschlossen, führt das Erhitzen wieder zu einem Temperaturanstieg.

Wenn der Substanz Wärme entzogen wird, entspricht die Abnahme der Wärmeenergie ihrer Moleküle einem Temperaturabfall, bis sie einen Übergangspunkt erreicht.

Dann bleibt die Temperatur konstant, da während des Phasenwechsels wieder stärkere intermolekulare Kräfte hergestellt werden.

Das Verhalten eines Stoffes als Reaktion auf Temperaturänderungen kann mit Hilfe von Heizkurven oder Kühlkurven modelliert werden, wobei die Temperaturänderung als Funktion der zugeführten oder abgeführten Wärme aufgetragen wird.

Stellen Sie sich ein Becherglas vor, das mit Eiswürfeln gefüllt ist, zunächst bei -20 °C. Durch das Einströmen von Wärme steigt die Temperatur des Eises stetig an. Die Menge an Wärme, die bei der Erwärmung des Eises absorbiert wird, hängt von der spezifischen Wärmekapazität des Eises ab.

Ist der Schmelzpunkt von Eis erreicht, steigt die Temperatur trotz der ständig fließenden Wärme nicht mehr an. Die Wirkung der absorbierten Wärme schwächt die intermolekularen Kräfte, bis das Eis vollständig zu flüssigem Wasser schmilzt.

Das Plateau des Fest-Flüssig-Gleichgewichts ist charakteristisch für den Phasenübergang bei konstanter Temperatur. Die Enthalpieänderung zwischen dem Anfang und dem Ende des Plateaus gibt die Wärmemenge an, die für den Schmelzprozess benötigt wird, oder mit anderen Worten, die Enthalpie der Schmelze von Wasser.

Nach Abschluss des Schmelzprozesses führt die aufgenommene Wärme zu einem entsprechenden linearen Temperaturanstieg. Die spezifische Wärmekapazität des Wassers bestimmt die Menge der aufgenommenen Wärme.

Am Siedepunkt hört die Temperatur auf zu steigen. Die aufgenommene Wärme trägt vielmehr dazu bei, die Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen zu überwinden, bis das Wasser vollständig verdampft.

Das Plateau des Flüssig-Gas-Gleichgewichts stellt den Phasenübergang bei konstanter Temperatur dar. Die Änderung der Enthalpie zwischen dem Anfang und dem Ende des Plateaus ist die Enthalpie der Verdampfung von Wasser.

Nachdem sich die Flüssigkeit in Dampf verwandelt hat, führt zusätzliche Hitze dazu, dass die Temperatur wieder ansteigt.