Die Volumenänderung beim Übergang von Flüssigkeit zu Gas ist sehr gross
Die Volumenzunahme beim Verdampfen von Wasser ist ungewöhnlich gross im Vergleich zu ähnlichen Stoffen.
Wissenschaftliche Erklärung
Wenn eine Flüssigkeit verdampft, nimmt ihr Volumen erheblich zu — das ist normal. Bei Wasser fällt diese Volumenzunahme jedoch aussergewöhnlich gross aus. Ein Liter flüssiges Wasser erzeugt beim Verdampfen bei Normaldruck etwa 1600 Liter Dampf — eine Volumenzunahme um den Faktor 1600. Zum Vergleich: Bei Ethanol beträgt der Faktor nur etwa 500, bei Aceton rund 300.
Der Grund für diese extreme Volumenänderung liegt in der kompakten Struktur flüssigen Wassers, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wird. In der Flüssigkeit halten diese Bindungen die Moleküle eng beieinander und erzeugen eine vergleichsweise hohe Dichte für ein so leichtes Molekül. Beim Verdampfen müssen nicht nur die Van-der-Waals-Kräfte, sondern auch diese starken Wasserstoffbrücken überwunden werden. Im Gaszustand sind die Moleküle dann vollständig voneinander getrennt und nehmen ein enormes Volumen ein.
Die grosse Volumenänderung hängt eng mit der hohen Verdampfungsenthalpie von Wasser zusammen: Viel Energie wird benötigt, um die Wasserstoffbrückenbindungen zu brechen, und das resultierende Gas hat eine sehr geringe Dichte.
Alltagsrelevanz
Diese grosse Volumenänderung macht Wasserdampf zu einem äusserst effektiven Arbeitsmittel. Dampfmaschinen und Dampfturbinen in Kraftwerken nutzen genau diesen Effekt: Eine relativ kleine Menge Wasser erzeugt beim Verdampfen ein enormes Dampfvolumen, das Turbinen antreibt. Auch Dampfdrucktöpfe und Espressomaschinen funktionieren nach diesem Prinzip.
In der Natur ist die grosse Volumenänderung relevant für Vulkanismus (Wasser in Magma verdampft explosionsartig) und die Wolkenbildung (verdampfendes Wasser steigt auf und trägt grosse Energiemengen in die Atmosphäre).