Zur besseren Darstellung wird der Prozess mittels der alten Einheit Kilocalorie / kcal beschrieben.
Die alte Masseinheit der Wärme ist kcal. Es kann definiert werden als die erforderliche Wärme, um ein Kilogramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Heute wird die Einheit kW (Kilowatt) verwendet. Hierbei entsprechen 860 kcal/h = 1 kW .
Phasenwechsel
Die Eistruhe der Vergangenheit musste regelmässig mit neüm Eis gefüllt werden. Das Eis schmolz und die Wanne voll Wasser musste regelmässig geleert werden.
Bei dem Schmelzen von Fest zu Flüssig benötigt das Eis eine latente Wärmemenge. Diese Wärmemenge von ca. 80 kcal pro Kilo Eis wird dem Lebensmittel in der Eistruhe entzogen. Das Wasser wurde auch im kalten Zustand entfernt, da Wasser nur eine beschränkte Wärme- kapazität besitzt. Es ist wahr, das 1 kcal die Menge von 1kg Wasser um 1 Grad Celsius anhebt, aber umgekehrt nimmt 1 kg Wasser bei 0 Grad Celsius 10 kcal auf, und die Temperatur steigt auf 10 Grad Celsius. Dieses verhindert bzw. verringert den Kühlungseffekt.
Der Phasenwechsel ist für den mechanischen Kälteprozess aus zwei Gründen wichtig. Zuerst, der Wechsel nimmt eine relativ grosse Wärmemenge pro Kilogramm auf; und zweitens, der Wechsel tritt bei konstanter Temperatur ein.
Der Verdampfungsprozess
Seitdem die Eigenschaften von Wasser bekannt sind und sein Verhalten ähnlich dem der gewöhnlich genutzten Kältemittel ist, wird hier Wasser verwendet um den Verdampfungsprozess und die eingeführte Terminologie zu erklären. Wenn 1 kg Wasser bei 0°C erhitzt wird, dann steigt seine Temperatur um 1°C je kcal. Dieser Prozess setzt sich fort, bis das Wasser seinen Verdampfungspunkt bzw. seine Verdampfungstemperatur erreicht. Diese Verdampfungstemperatur wird durch den Druck über dem Wasser bestimmt. In einem offenen Behälter entspricht der Druck über dem Wasser dem Atmosphärendruck. In einem geschlossenen Behälter, bestimmt der vorherrschende Druck im Behälter die Verdampfungstemperatur.
In Meereshöhe mit einem Standarddruck von 1.033 bar kocht Wasser bei 100°C.
Ist der Druck grösser als 1.033 bar, wird die Temperatur bei der Wasser verdampft ebenfalls ansteigen. So kocht Wasser z.B. bei einem Druckkessel mit 1,5 bar erst bei 110°C. Bei einem Druck von 3 bar steigt die Temperatur auf 132°C.
Umgekehrt, wenn der Druck unter 1.033 bar ist, bis zum Vakuum, wird die Verdampfungstemperatur tiefer liegen. Zum Beispiel, liegt der Kochpunkt bei einem Druck von 0,6 bar bei 89°C und bei 0,3 bar ist der Punkt bei 69°C.
Wasser an der Verdampfungstemperatur, mit dem korrespondierenden Druck, wird als gesättigte Flüssigkeit bezeichnet. Gesättigt mit all der Wärme, welches das Wasser unter dem entsprechenden Druck aufnehmen kann und dabei noch flüssig bleibt.
Verdampfungswärme
Nachdem eine Flüssigkeit den Siedepunkt erreicht hat und weiterhin Wärme zugeführt wird, bedeutet dieses die Verdampfung von Flüssigkeit. Die Wärme, die benötigt wird um eine Flüssigkeit zu verdampfen wird Verdampfungswärme bezeichnet. Bei einem Standarddruck von 1.033 bar werden 539 kcal benötigt um 1 kg Wasser komplett in Dampf zu verwandeln.
Überhitzung
Wenn Wärme bis zur vollständigen Verdampfung zugeführt wurde, so spricht man von gesättigtem Dampf. Es bedeutet, dass der Dampf die gesamte Wärme, unter dem entsprechenden Druck, aufnehmen kann und dabei immer noch am Sättigungspunkt ist. Der Phasenwechsel hat vollständig stattgefunden und jede weitere Zufuhr von Wärme ergibt eine Erhöhung der Dampftempertur. Diese zusätzliche Wärme wird überhitzung genannt. In der überhitzungszone dehnt sich der Dampf leicht aus, genau wie die Temperatur ansteigt. Die spezifische Wärme des Dampfes ist unterschiedlich zum gleichen Medium in Flüssigphase. Zum Beispiel benötigt man nur 0,45 kcal um 1 kg Wasserdampf um 1°C zu erwärmen. Wenn ein Kilo Wasserdampf um 20°C überhitzt ist, dann benötigt man hierzu 20 x 0,45 kcal, also 9 kcal.
Enthalpie oder Wärmeinhalt
Selbstverständlich beinhaltet jeder Stoff Wärme bzw. Energie hinunter bis zum absoluten Nullpunkt von -273°C. Aufgrund von anderen Umständen werden aber andere Punkte verwendet. Weil Wasser bei 0°C gefriert wird der Nullpunkt bei 0°C gesetzt. Somit wird jeder Wert von Wärme unterhalb von 0°C negativ. Die vollständige Energie eines Mediums beinhaltet nicht nur die innere Energie, sondern auch die äussere Energie oder Arbeit die erforderlich ist, um diesen Zustand zu erreichen. Die Summe dieser Energien wird Enthalpie genannt.
Temperatur-Enthalpie-Diagramm
Die bisher beschriebenen Eigenschaften können sehr gut anhand des Temperatur-Enthalpie- Diagramms gezeigt werden.
Die Werte sind gegeben für 1 kg Wasser bei einem Atmosphärendruck von 1.033 bar.
Bild 12:
Der Punkt A zeigt, das 1 kg Wasser bei 0°C keine Enthalpie bzw. Wärmeinhalt hat (kcal/kg).
Die Linie A-B zeigt die erforderliche fühlbare Wärme um Wasser von 0°C auf 100°C zu erwärmen. Pro 1°C Temperturanstieg muss das Wasser 1 kcal Wärme aufnehmen. Demnach ist der Wärme- inhalt des Wassers bei 100°C 100 x 1 kcal/°C bzw. 100 kcal.
Die Linie B-C zeigt die latente Wärme des Dampfes um 1 kg gesättigtes Wasser (Punkt B) zu verdampfen (Punkt C). Die Verdampfungswärme des Wassers (bei 1.033 bar) beträgt 539 kcal. Damit beträgt die Enthalpie des gesättigten Dampfes am Punkt C 100 + 539 kcal oder 639 kcal. Wie im Diagramm zu sehen ist, bleibt die Temperatur zwischen dem Punkt B und C gleich. Dieser Prozess wird latente Wärme genannt.
Linie C-D stellt den Effekt der zusätzlich zugeführten Wärme dar. Dieses nennt man überhitzung. Je 1°C überhitzung müssen 0,45 kcal an Wärme zugeführt werden.
Der Kondensationsprozess
Der Phasenwechsel von Flüssig zu Dampf ist reversible. Das bedeutet, dass das Medium von Dampf zurück zur Flüssigkeit wechseln kann. Diesen Prozess nennt man Kondensation. Genauso wie Wärme für die Verdampfung zugeführt werden muss, muss Wärme aus dem Dampf entfernt werden, damit der Dampf zu Flüssigkeit wird. Und dieses um den gleichen Wärmeinhalt. So wie der Druck, entsprechend einer Temperatur, bestimmt, wann die Flüssigkeit kocht, so bestimmt der Druck auch die Temperatur bei der die Kondensation stattfindet.
Bild 12: