E14 Phasenwechsel Verdunstung und Kondensation

Thema

Der Phasenübergang von Wasser zu Dampf verbraucht in der Verdampfungsphase bzw. setzt in der Kondensationsphase eine große Menge Energie frei, ohne dass sich die Temperatur des Wassers oder des Dampfes dabei ändert. Beim Kochen findet diese Verdampfung an der Oberfläche eines Bratens, eines Wokgerichts oder beim Trocknen von Speisen im Ofen statt, während Kondensation am kalten Deckel eines Topfes oder im Inneren eines Dampfgarers erfolgt. Für die vollständige Verdampfung wird deutlich mehr latente Wärme benötigt als die fühlbare Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur desselben Wassers um einen vergleichbaren Betrag zu erhöhen, ohne den Aggregatzustand zu ändern. Dieser hohe Bedarf an latenter Wärme erklärt, warum die Oberfläche von Lebensmitteln nahe am Siedepunkt bleiben kann, während das Innere kalt bleibt: Der sich an der Oberfläche bildende Dampf wirkt als Temperaturregler für das Lebensmittel und verbraucht diese latente Wärme, anstatt die Oberflächentemperatur weiter ansteigen zu lassen. Je mehr latente Wärme durch die Verdampfung verbraucht wird, desto länger bleibt die Oberfläche des Lebensmittels nahe am Siedepunkt, bevor das Innere vollständig erhitzt ist.

Die Verdunstungsrate hängt vom Dampfdichtegradienten zwischen der gesättigten Oberfläche des Lebensmittels und der umgebenden, trockeneren Umgebung ab. Eine trockene oder gut belüftete Umgebung erhöht diesen Dampfdichtegradienten und beschleunigt die Verdunstung, was zu einer knusprigeren Kruste führt. Umgekehrt hält ein Ofen ohne Belüftung die durch die Verdunstung freigesetzte Feuchtigkeit zurück, wodurch der Dampfdichtegradient sinkt und anstelle einer knusprigen Kruste eine weichere Textur entsteht. Eine trockenere oder besser belüftete Umgebung erhöht diesen Dampfdichtegradienten und beschleunigt somit die Verdunstung.

Eine trockenere oder besser belüftete Umgebung führt zu einem größeren Dampfdichtegradienten und folglich zu einer schnelleren Verdunstung. Dieses Modell, das die Verdunstung und den Dampfdichtegradienten berücksichtigt, zeigt anhand der Clausius-Clapeyron-Gleichung, dass der Sättigungsdampfdruck des Wassers mit dessen Temperatur stark und überproportional ansteigt: In einem Schnellkochtopf mit hohem Druck steigt der Siedepunkt des Wassers über den Siedepunkt bei normalem Atmosphärendruck, wodurch der Garvorgang beschleunigt wird. In der Höhe hingegen, bei niedrigerem Atmosphärendruck, sinkt der Siedepunkt unter den bei normalem Atmosphärendruck, was den Garvorgang verlangsamt. Der höhere Druck auf das Wasser führt gemäß der Clausius-Clapeyron-Gleichung zu einem höheren Siedepunkt und somit zu einer schnelleren Garzeit.

Schließlich bestätigt dieses Modell anhand der Lewis-Zahl des Wasserdampf-Luft-Paares, die sehr nahe bei eins liegt, die direkte Analogie zwischen Wärme- und Stofftransport des Wasserdampfs. Die Nähe der Lewis-Zahl zu Eins erlaubt es uns, den Stoffübergangskoeffizienten dieses Wasserdampfs direkt aus dem für denselben Wärmetransport bereits ermittelten konvektiven Koeffizienten eines anderen Modells dieser Reihe abzuschätzen, ohne dass eine separate Messung des Stoffübergangs erforderlich ist. Da dieser konvektive Koeffizient für dieses Lebensmittel höher ist, bedeutet dies – analog zur Wärme-Stoff-Beziehung –, dass auch der Stoffübergangskoeffizient dieses Wasserdampfs höher ist und die Verdunstung an der Oberfläche des Lebensmittels somit schneller erfolgt.

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