Wird beim schmelzen Energie frei?

Schmelzen: Energieverbrauch oder -freisetzung? Ein genauer Blick auf den Phasenübergang

Die Frage, ob beim Schmelzen Energie frei wird oder verbraucht wird, ist zunächst scheinbar einfach zu beantworten: Eis schmilzt, wenn man es erwärmt – also wird Energie benötigt. Diese intuitive Antwort ist zwar richtig, aber nur die halbe Wahrheit. Um das Phänomen des Schmelzens vollständig zu verstehen, müssen wir den Begriff der Energie genauer betrachten und die beteiligten Prozesse differenzieren.

Die Aussage „Beim Schmelzen wird Energie verbraucht“ bezieht sich auf die zugeführte Energie, die notwendig ist, um den Phasenübergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand herbeizuführen. Diese Energie wird verwendet, um die intermolekularen Kräfte im Festkörper zu überwinden. Im Eis beispielsweise halten Wasserstoffbrückenbindungen die Wassermoleküle in einem festen Gitter. Um das Eis zu schmelzen, muss die zugeführte Energie diese Bindungen aufbrechen und den Molekülen mehr Bewegungsfreiheit ermöglichen. Die Temperatur des Eises bleibt dabei konstant bei 0°C (unter Normaldruck), bis das gesamte Eis geschmolzen ist. Die zugeführte Energie wird also nicht zur Erhöhung der Temperatur, sondern zum Phasenübergang selbst verwendet.

Man könnte nun argumentieren, dass die Schmelzenergie im flüssigen Wasser gespeichert ist, also eine Art von Energiefreisetzung stattfindet. Dies ist jedoch irreführend. Die Energie wurde nicht “frei” gesetzt im Sinne einer Energiegewinnung, sondern wurde in Form von potentieller Energie in den intermolekularen Abständen des flüssigen Wassers gespeichert. Diese Energie ist notwendig, um den flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten. Würde man das Wasser wieder erstarren lassen, würde diese potentielle Energie wieder als Erstarrungswärme freigesetzt werden.

Der Prozess des Schmelzens ist also ein endothermer Prozess, was bedeutet, dass er Energie aus der Umgebung aufnimmt. Die Umkehrung, das Erstarren, ist ein exothermer Prozess, bei dem Energie an die Umgebung abgegeben wird. Beide Prozesse sind reversibel und die beim Schmelzen aufgenommene Energiemenge entspricht exakt der beim Erstarren abgegebenen Energiemenge – ein perfekter Kreislauf. Wichtig ist die Unterscheidung: Energie wird beim Schmelzen aufgenommen, um die intermolekularen Kräfte zu überwinden, und beim Erstarren freigesetzt, wenn diese Kräfte wieder gebildet werden. Eine „Freisetzung“ von Energie im Sinne einer nutzbaren Energiegewinnung findet beim Schmelzen selbst nicht statt.