Das Leben ist kompliziert genug, könnte man meinen. Wären da nicht die eigentlich ganz einfachen Dinge, hinter denen sich interessante Phänomene verbergen. Warum beschlägt die Brille? Warum regnet es? Wie funktioniert ein Kühlschrank? Drei Fragen, auf die es eine gemeinsame Antwort gibt: die Physik des Wassers. Wasser kann flüssig sein, fest oder gasförmig. Und es kann von jedem dieser so genannten Aggregatzustände in den anderen übergehen. Die Grenzpunkte hierfür sind der Taupunkt (Eis zu Wasser) und der Siedepunkt (Wasser zu Dampf). Die Nutzung dieser Phänomene, d. h. der Übergang von flüssig in gasförmig bzw. gasförmig in flüssig, ist die Basis für das Funktionsprinzip von Kühlschränken und Wärmepumpen.

Verdampfen, verdunsten und kondensieren

Als Verdampfen (oder Verdunsten) bezeichnet man den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand. Den umgekehrten Übergang, also vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand, bezeichnet man als Kondensation. Eine spontane Kondensation erfolgt im Regelfall an mikroskopisch kleinen schwebenden Partikeln, den so genannten Kondensationskernen, das können z. B. Ruß oder Staubteilchen sein. Das ist übrigens auch der Grund, warum saubere Glasscheiben weniger beschlagen als verschmutzte.

Der Verdampfungsprozess

Wenn 1 kg Wasser bei 0 °C erhitzt wird, steigt seine Temperatur um 1 °C je Kilokalorie zugeführter Energie. Dieser Prozess setzt sich fort, bis das Wasser seinen Siedepunkt erreicht. Und der liegt bei normalem Luftdruck bei 100 ° C. Steigt aber der Luftdruck, steigt auch der Siedepunkt des Wassers. Dieses Phänomen macht man sich z. B. beim Schnellkochtopf zunutze. Im Topf wird der Druck erhöht, und der Siedepunkt steigt. Das bedeutet, man kann bei höheren Temperaturen garen und deshalb schneller und schonender kochen.

Verdunstungskälte

Geht eine Flüssigkeit unterhalb des Siedepunkts vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über, spricht man von Verdunstung. Die Energie, die zum Verdunsten nötig ist, wird dabei der Umgebung entzogen, die sich dadurch abkühlt. Auch die Kühlung des menschlichen Körpers basiert auf diesem Prinzip.

Wie der Kühlschrank, so die Wärmepumpe

Das Erzeugen von Wärme und das Erzeugen von Kälte sind lediglich die zwei Seiten derselben Medaille. Wärme kann nicht von selbst von einem Körper mit niedriger Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur übergehen. Dazu sind andere Prozesse notwendig, der bekannteste ist die Verdichtung (Kompression) und die anschließende Entspannung (Expansion). Dieses Prinzip findet im Kühlschrank wie auch in der Wärmepumpe Anwendung. Dabei muss einem Körper Wärme entzogen und diese dann wieder abgegeben werden. Beim Kühlschrank läuft der Wärmetransport über ein Kältemittel. Dieses Kältemittel ändert seinen Aggregatzustand. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand nimmt das Kältemittel Wärme auf, die es seiner Umgebung – beim Kühlschrank sind das sozusagen die Lebensmittel – entzieht. Der Innenraum des Kühlschranks und die Lebensmittel werden kalt. Geht nun das Kältemittel vom gasförmigen wieder in den flüssigen Zustand (Kondensation) über, gibt es die Wärme an die Außenluft ab. Wie aber wird der ständig wechselnde Aggregatzustand des Kältemittels erreicht? Ein Kompressor saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Innenraum des Kühlschranks an, verdichtet es und leitet es weiter nach außen, und zwar in die schwarzen Kühlschlangen an der Rückseite des Geräts. Dort verflüssigt sich das Kältemittel durch Abgabe der Wärme und gelangt dann in den Verdampfer im Innenraum des Kühlschranks. Das nun gasförmige Kältemittel nimmt die Umgebungswärme auf und wird vom Kompressor wieder angesaugt usw. Die Wärmepumpe funktioniert prinzipiell genauso, nur mit umgekehrtem Nutzen.