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 Wärmelehre 5
Hier geht es zunächst noch einmal um eine Erläuterung des Enthalpie-Begriffs. Wir
hatten ihn schon als eine Art Energie bezeichnet. Wichtig ist hierzu, dass sich diese
Art von Wärmeenergie von keiner anderen Energieform unterscheidet, die alle
ebenfalls mit der Einheit 'Joule' bezeichnet werden. Ein Joule ist die Wärmemenge,
die nötig ist, unter Normaldruck 1 Gramm Wasser um 1°C zu erwärmen. Detailiertere
Zahlen sparen wir uns an dieser Stelle.
Die Einheit kJ/kg kam dann von der auf die Masse bezogenen, spezifischen Enthalpie.
Der Begriff stammt übrigens aus dem Griechischen und kann als 'Wärmeinhalt'
gedeutet werden. Wir bleiben bei der Definition als innere Energie und teilen diese
nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik auf in thermische (Wärme) und
mechanische Energie (Arbeit).
Geht man von dem vorher erarbeiteten Modell der Molekülschwingungen aus, so hat
die gesamte Energie dieser Schwingungen etwas mit der Enthalpie zu tun. Nimmt
man die gegebenen Schwingungen als den Nullpunkt der Energie an, so kann diese
Energie eben auf zwei verschiedene Arten erhöht werden.
Wird ein wärmerer Körper unmittelbar mit diesem Medium verbunden, so wird an der
Trennfläche die höhere Impulsrate der stärker schwingenden Moleküle auf die
Moleküle des Mediums übertragen, deren Schwingungsrate und damit Temperatur
steigt. Soll allerdings die Enthalpie nur durch Wärmeübertragung gesteigert werden,
muss der steigende Druck durch Volumenvergrößerung aufgefangen werden.
Womit wir bei der Enthalpiesteigerung durch mechanische Arbeit wären. Hier wird die
Systemgrenze versetzt, was ebenfalls Einfluss auf die Molekularbewegung hat. Die
Schwingungen und damit die Temperatur wird höher. Klar, wenn man Druck auf ein
Gas ausübt, wird es heißer. Damit steigt die Enthalpie. Sie kann also durch direkte
Erwärmung oder Volumenänderungsarbeit beeinflusst werden.
Eng mit dem Problem der Sättigung hängt das der Luftfeuchtigkeit zusammen. Auch
hier ist es ratsam, von einem Anfangszustand auszugehen. Stellen Sie sich ein Glas
Wasser in einem luftgefüllten Raum vor. Die Wassermoleküle sind in dem viel
engeren Verband als die Luftmoleküle. Das ist eben bei Flüssigkeiten so. Jetzt wissen
wir aber, dass Teile des Wassers auch verdunsten können. So nennt man gewöhnlich
den Übergang von flüssigen in den gasförmigen Zustand unterhalb der
Siedetemperatur.
Beim Verdunsten gelingt es einzelnen Molekülen wegen einer über dem Durchschnitt
liegenden Schwingungsgeschwindigkeit und –weite, sich aus dem Molekülverband zu
lösen. Das geschieht an der Grenzfläche zur Luft, wenn diese eine höhere
Temperatur hat. Zu dieser Menge an Verdunstung gehört natürlich auch eine in dieser
Situation kleinere Menge an Kondensation, also Moleküle, die in den Verbund
zurückkehren.
Es entsteht eine so lange steigende Luftfeuchtigkeit, wie noch Wasser vorhanden ist
und der Temperaturunterschied weiteren Wassermolekülen das Verlassen ihres
Verbandes ermöglicht. Geschieht das nicht mehr, obwohl noch Wasser vorhanden
ist, sagen wir, die Luft sei gesättigt, ähnlich jemandem, der keinen Hunger mehr hat,
obwohl die Küche noch reichlich Nachschub bereithält.
Die einzige Möglichkeit, auch das restliche Wasser in die Luft zu befördern, besteht
in einer Erhöhung der Lufttemperatur. Dann steigt auch die Temperatur des Wassers,
was wieder mehr Molekülen die Umwandlung zu einem Gas ermöglicht. Unten sehen
Sie den Dampfdruck von Wasser in Luft in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der
die Möglichkeit der Wasseraufnahme exponentiell ansteigt.
Hier das entsprechende Schaubild. Bis ca. 30°C ähnelt der Wert des Wassers in
Gramm pro Kubikmeter Luft dem der Temperatur in Grad Celsius. Es ist also
dargestellt die gerade noch mögliche Wassermasse in einem Kubikmeter Luft. Etwas
mehr und das Wasser schlägt sich irgendwo nieder. Das gleiche passiert, wenn sich
die Luft bei maximalem Gehalt an Feuchtigkeit abkühlt.
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