Heiter bis Stürmisch

HBS013 Latente Energie

06 September 2020

In Folge zwölf habe ich erzählt wie viel Energie in einem Hurrikan stecken kann. An einem Tag wird soviel Energie freigesetzt wie der Jahresverbrauch Deutschlands. Der Energielieferant für einen Hurrikan ist Wasserdampf. Im Wasserdampf muss also irgendeine Energie stecken oder verborgen sein. Und das ist die latente Energie. Latent kommt vom lateinischen Wort "latere" und bedeutet verborgen. Geprägt wurde der Begriff vom britischen Chemiker und später sehr beliebten Professor Joseph Black 1762. Auch James Watt, der Erfinder der Dampfmaschine hörte seine Vorlesungen über latente Wärme.

Black untersuchte die Temperaturveränderung von Wasser. Zum einen hat er die Temperatur in einem Eis-Wasser-Gemisch gemessen. Dabei stellte er fest, dass die Temperatur in dem Eis-Wasser-Gemisch nicht ansteigt solange das Eis schmilzt. Und zum anderen war er auch verwundert darüber, dass die Temperatur von kochendem Wasser trotz Wärmezufuhr nicht weiter ansteigt, sondern nur der Wasserdampf zunimmt. Daraus schloss er, dass die hinzugefügte Wärme bzw. Energie in dem Eis-Wasser-Gemisch bzw. im Wasser-Wasserdampf-Gemisch irgendwie verborgen sein muss. Und daher bezeichnete Black diese Wärme als latent.

Warum bleibt die Temperatur sowohl beim Schmelzen als auch beim Verdampfen gleich? Nun die Ursache liegt in der molekularen Struktur von Stoffen. Das betrifft alle Stoffe. Insbesondere auch Wasser. Und das spielt fürs Wetter eine wichtige und besondere Rolle. Wasser liegt auf der Erde in drei Erscheinungsformen vor. Als Eis im festen Zustand, flüssig und als Wasserdampf in der gasförmigen Form. Soll Wasser zum Schmelzen oder Verdampfen gebracht werden, muss es in die nächste Phase überführt werden. Und dazu wird Energie gebraucht. Im Eis sind die Wassermoleküle in einem Kristallgitter angeordnet. Wird das Eis erhitzt, muss das Kristallgitter aufgebrochen werden. Denn im flüssigen Zustand bewegen sich die Moleküle zwanglos gegeneinander. Die Ordnungskräfte der Kristallstruktur müssen also aufgehoben werden. Und dafür muss Energie aufgewendet werden. In diesem Fall wird das Schmelzenergie genannt.

Für den nächsten Phasenübergang wird noch mehr Energie benötigt. Hier ist von der Verdungstungsenergie die Rede. Wird Wasser zu Wasserdampf werden die Abstände zwischen den Molekülen größer. Und diese Entfernungsvergrößerung kostet Energie. Die Temperatur bleibt wie von Black richtig beobachtet beim Schmelzen bzw. Verdunsten von Wasser erst mal unverändert. Die Schmelz- und Verdungstungsenergie verstecken sich also und werden deshalb auch als latente Energie bezeichnet. Etwas anschaulicher ist das vielleicht an einem Gummiband. Liegt das Gummiband locker in der Hand und wird dann auseinander gezogen, wenden wir für die Spannung Energie mit unsere Muskeln auf. Lässt man das Gummiband los, wird die beim Dehnen hineingesteckte Energie wieder zur Verfügung gestellt. So ist das auch bei der Kondensation. Die aufgewandte Energie für die Verdunstung wird hier bei der Kondensation ebenso zur Verfügung gestellt.

Welche Auswirkungen hat die latente Energie auf das Wetter?

Verdunstet Wasser, wird der Atmosphäre Wärme entzogen. Diesen Effekt spüren wir sogar an der eigenen Haut. Verdunstet Wasser oder auch Schweiß auf unserer Haut, hat das auch einen abkühlenden Effekt. Und auch beim Wetter wird dieser Abkühlungseffekt beobachtet. Fällt beispielsweise im Winter Regen und kommt in eine trockene bodennahe Schicht, verdunstet der Regen. Dadurch kühlt sich die Luft ab. Das hat zur Folge, dass die Schneefallgrenze absinkt und nun um mehrere Dekameter tiefer liegt. Vor allem in Gebirgen ist das gut zu beobachten. Dann kann der Schnee nun auch bis in die Täler fallen.

Wird bei Verdunstung die latente Energie gebunden, so wird sie bei Kondensation oder Sublimation (der Übergang von gasförmig zu fest) wieder frei gesetzt. Entstehen also Tropfen wie bei der Wolken- und der Niederschlagsbildung wird die vorher gebundene Energie wieder zur Verfügung gestellt. Dabei erwärmt sich dann beispielsweise die Umgebungsluft. Aber auch bei Gewittern und in tropischen Wirbelstürmen ist die Kondensation von Wasser wichtig für den Energiehaushalt. Je mehr Wasserdampf in der Luft vorhanden ist, desto mehr Wärmeenergie wird freigesetzt und desto stärker sind die konvektiven Aufwinde innerhalb der Wolke. Daher können die Gewitter an Tagen mit sehr hoher Luftfeuchtigkeit besonders kräftig ausfallen. Ein eher alltägliches Beispiel ist das Aufschäumen von Milch für einen Cappuccino. Hier wird die frei werdende latente Energie auch in Wärmeenergie umgewandelt. Der heiße Wasserdampf wird dabei in die kalte Milch geblasen. Dabei kondensiert er und überträgt die frei werdende latente Energie in Form von Wärme auf die Milch.

Die Phasenübergänge von Wasser geben also entweder Energie ab oder verbrauchen sie. Damit sind sie ein großer Einflussfaktor im globalen Energiehaushalt. Auch bei der Entstehung von Wind und Stürmen in unseren Breiten ist die Phasenumwandlung und damit die latente Energie einer der Hauptverursacher. Wie Wind und Stürme entstehen ist aber Thema für eine andere Folge.

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