Warum dauert es so lange einen Feststoff zu schmelzen?

In industriellen Anwendungen muss ein Feststoff wie Wachs oft geschmolzen werden, damit er weiterverarbeitet werden kann. Wenn der Feststoff zu diesem Zweck erhitzt wird, wird irgendwann der Schmelzpunkt erreicht. An diesem Punkt ändert sich der Aggregatzustand und der Feststoff beginnt schließlich zu schmelzen. Man spricht auch von einer Phasenumwandlung.

Es ist zu beobachten, dass, solange noch Reste des Feststoffs vorhanden sind, die Temperatur trotz fortgesetzter Zufuhr von Wärmeenergie nicht weiter ansteigt. Dieses Phänomen ist auch aus dem Alltag bei der Verwendung von Eiswürfeln oder Taschenwärmern bekannt.

Die physikalische Erklärung dafür ist die für den Phasenübergang von fest zu flüssig erforderliche Wärmeenergie, die als latente („versteckte“) Wärme, Schmelzenthalpie oder Schmelzwärme bezeichnet wird.

Die latente Wärme ist eine spezifische Größe, die mit der Masse des jeweiligen Stoffes zusammenhängt und die Einheit J/kg hat. Beispiel Wasser: spez. Schmelzwärme 334 kJ/kg; spez. Wärmekapazität 4,19 kJ/kg*K; Schmelztemperatur 0 °C

Die latente Wärme ist ein Vielfaches der Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur weiter zu erhöhen. Das Gleiche gilt für die Verdampfung, d. h. den Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig.

Zum Beispiel erfordert das Schmelzen von 3 kg Eis mit 1000 kJ genau die gleiche Energiemenge wie das Erhitzen der gleichen Menge Wasser auf 80°C! 1000 kJ entsprechen einer Leistung von 1 kW für eine Dauer von 1000 s, d.h. etwa 17 Minuten.

In der Praxis kommt noch der Wirkungsgrad des Heizsystems hinzu, der zwischen 50% (Heizmantel) und 90% (Tauchsieder) liegt. Die tatsächliche Heizzeit erhöht sich entsprechend.