Mut zum Phasenübergang!

Auf diesem Blog wird regelmäßig der Phasenübergang von Wasser zu Eis glorifiziert. Während dieses thermodynamisch aufsehenerregenden Vorgangs wird Wärme entzogen, die genutzt werden kann – was in populärwissenschaftlichen Postillen gerne mit dem Satz Klingt paradox, ist aber so! eingeleitet wird.

Aber im Wilden Westen, im Land der unbegrenzten Möglichkeiten, gibt es mutige, weltoffene Siedler, die sich noch größeren Herausforderungen stellen. Ihre Experimente sind subtil. Sublim.

Hier werden aus Dampf Schneeflocken gemacht – resublimiert!

Die verwegenen Siedler setzen sich nicht unerheblichen persönlichen Risiken aus: Nach diesen Berichten verbrühten sich mindestens 50 Hobbyforscher. Neben den prinzipiellen Tücken der Thermodynamik (siehe unten) wurde die aus anderem Kontext bekannte Regel missachtet, Flüssigkeiten in der Natur nicht gegen die Windrichtung zu versprühen:

„I accidentally threw all the BOILING water against the wind and burnt myself.“

Wann entsteht warum aus Dampf Eis? Können wir in einem handelsüblichen Kaffehäferl[*] reinen Dampf erzeugen?

[*] Hinweis für Leser aus DE/CH: Kaffeetasse.

Wie jeder Disco-Besucher weiß, entsteht aus Trockeneis – gefrorenem Kohlendioxid – spektakulärer CO2-Dampf.

Dies gilt allerdings nur für Diskotheken auf unserem Planeten Erde. Das Phasendiagramm von Kohlendioxid –  eine Darstellung der möglichen Zustände bei verschiedenen Kombinationen von Temperatur und Druck – zeigt, dass bei einem Druck von 1bar Kohlendioxid nur fest (s…solid) oder gasförmig (g) auftreten kann.

Phasendiagramm von Kohlendioxid  (Carbon dioxide p-T phase diagram)

Phasendiagramm von Kohlendioxid – eine Darstellung der möglichen Zustände bei verschiedenen Kombinationen von Temperatur und Druck (Wikimedia)

Eine aus einem Kühlbehälter entnommenen Trockeneistablette hat deutlich unter 0°C. Beim Erwärmen bei dem durch die Umgebungsluft aufgeprägten konstanten Druck sublimiert das Trockeneis.

Das Phasendiagramm von Wasser zeigt, dass ein direkter Übergang von Dampf zu Eis bei 1bar (1atm) nicht möglich ist:

Phasendiagramm von Wasser (Wikimedia, User cmglee)

Phasendiagramm von Wasser. 1atm entspricht 1bar. „Eis“ tritt in vielen unterschiedlichen Varianten auf. (Wikimedia, User cmglee)

Wasser siedet im Ort der Siedler – in der Pannonischen Tiefebene – bei ca. 100°C. Während des Siedens im Wasserkocher wird Energie zugeführt: Temperatur und Druck bleiben konstant auf 100°C und 1bar. Wir befinden uns im Phasendiagramm auf einem Punkt der Grenzlinie zwischen den Bereichen Dampf und Flüssigkeit. Dieser Punkt stellt eine Mischung aus Wasser und Dampf dar – mit Zufuhr von Energie wird mehr Wasser verdampft.

Startet man rechts im Siedepunkt bei 100°C wird auf der roten waagrechten Linie konstanten Drucks auch das grüne Gebiet flüssigen Wassers durchquert.

Warum erscheint das In-die-Luft-Werfen trotzdem ähnlich zur Resublimation?

Der Dampfanteil der Mischung wird in der Luft gut verteilt – die Verdampfungswärme wird sehr schnell abgeführt, da sich der Dampf mit der Umgebungsluft mischt. Diese Energiemenge ist sehr viel höher als jene Wärme, die dann noch entzogen werden muss, um das Wasser – das dann zwischenzeitlich in Form kleinster Tröpfchen entsteht – auf 0°C zu bringen und zu gefrieren.

Die Gefahr für die Hobbyforscher stammt vom nicht verdampften, aber doch 100°C heißen Wasser. Hier würde man zwar weniger Energie pro Masseneinheit entziehen müssen, um das Wasser „nur“ von 100°C auf 0°C abzukühlen. Allerdings lässt sich die Wärme um die vergleichsweise riesengroßen Tropfen durch die Luft nicht schnell genug im Flug abführen.

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