Sieden

Begriff und Voraussetzungen

Sieden, auch Kochen oder Wallen genannt, ist der Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Aggregatzustand, wenn dieser Vorgang innerhalb der Flüssigkeit stattfindet und typischerweise Blasen entstehen. Der an der Oberfläche stattfindende Übergang heißt Verdampfen und läuft im Vergleich zum Sieden weniger heftig ab.

Bei der Verdunstung kann der Übergang von flüssig zu gasförmig bereits bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes stattfinden. Beim Sieden und beim Verdampfen ist der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem Umgebungsdruck oder größer als dieser. Sieden kann bei Reinstoffen, Gemischen und Lösungen auftreten.

Siedepunkt und Wärmeübertragung

Der Siedepunkt ist erreicht, wenn der Sättigungsdampfdruck einer Flüssigkeit dem atmosphärischen Druck entspricht oder diesen übersteigt. Beim Sieden eines Reinstoffs, zum Beispiel Wasser, bleibt die Temperatur bei konstantem Druck gleich, bis die Flüssigkeit vollständig verdampft ist. Die zugeführte Wärme wird dann vollständig in den Phasenübergang investiert. Dieses Prinzip ist die Grundlage der sehr effektiven Siedekühlung von thermisch hoch belasteten Gegenständen.

Bei Gemischen, beispielsweise aus Wasser und Aceton, unterscheiden sich die Zusammensetzungen der flüssigen und der gasförmigen Phase in der Regel. Die höhersiedende Komponente reichert sich in der flüssigen Phase an, weshalb der Siedepunkt während der fortschreitenden Verdampfung steigt. Der Vorgang wird durch ein Siedediagramm beschrieben. Die unterschiedlichen Konzentrationen in Flüssigkeits- und Gasphase nutzt man bei thermischen Trennverfahren wie der Destillation.

Beispiel Wasser

Unter Normalbedingungen, also bei einem Luftdruck von 1013 hPa und einer Temperatur von 20 °C, ist Wasser flüssig. Wird es in einem oben offenen Gefäß von unten erhitzt, entsteht ein Temperaturgradient: Am Boden ist das Wasser am heißesten, während die Oberflächentemperatur zunächst noch der Lufttemperatur entspricht.

Warmes Wasser besitzt eine geringere Dichte als kaltes Wasser und steigt deshalb auf; kälteres Wasser sinkt nach unten. Diese Zirkulation wird Konvektion genannt. Bei langsamer Erwärmung kann das gesamte Wasser verdampfen, ohne dass Blasen aufsteigen.

Liegt die Temperatur des Gefäßbodens über der Siedetemperatur beim herrschenden hydrostatischen Druck, verdampft das Wasser. An kleinen Unebenheiten des Bodens entstehen durch Keimbildung zunächst Blasen. Sie steigen auf und bewirken, dass kühleres Wasser nach unten strömt. Die Blasen enthalten Wasserdampf oder andere Gase, die zuvor im kalten Wasser gelöst waren.

Beim Blasensieden steigen Blasen auf und sorgen für einen intensiven Wärmeübergang durch die Gefäßwand. Entsteht dagegen eine zusammenhängende Dampfschicht, spricht man von Filmsieden. Der Übergang vom Blasen- zum Filmsieden verschlechtert den Wärmeübergang zwischen Boden und Wasser sprunghaft, weil die Durchmischung durch aufsteigende Blasen fehlt. Das muss beispielsweise beim Kühlen heißer Objekte wie Brennelementen mit Wasser berücksichtigt werden.

Beim stillen Sieden hat noch nicht das gesamte Gefäß die Siedetemperatur erreicht. Aufsteigende Blasen kondensieren beim Kontakt mit dem kälteren Wasser wieder. Durch Verdampfungs- und Kondensationswärme tragen sie zum Wärmetransport bei. Dieser Vorgang wird auch thermische Kavitation genannt.

Siedeverzug

Wasser oder wässrige Lösungen können sich in sauberen Gefäßen unter Umständen über die Siedetemperatur hinaus erwärmen, ohne zu sieden. Dieser Zustand ist nicht stabil. Weiteres Erwärmen oder Störungen, beispielsweise Erschütterungen, können eine explosionsartige Bildung einer besonders großen Gasblase auslösen.

Siedeverzug lässt sich durch Siedesteinchen mit poröser Struktur vermeiden. Sie ermöglichen die Bildung kleiner Gasblasen und fördern dadurch den regelmäßigen Siedevorgang.