Prozess

Der Temperaturwert für den Schmelz- und Siedepunkt eines Stoffes ist abhängig vom bestehenden Umgebungsdruck.
Die Werte 0 °C bzw. 100 °C für Wasser ergeben sich bei einem Umgebungsdruck von 1013 hPa.
Ändert sich der Umgebungsdruck, ändern sich damit auch die Temperaturwerte für die Phasenänderung. Mit steigendem Druck erhöhen sich die Werte, umgekehrt sinkt der Temperaturwert mit sinkendem Druck.
Mit dieser Eigenschaft lassen sich nun verblüffende Dinge anstellen.

Führen wir unser Experiment nach einigen Vorbereitungen weiter.
Wir haben nun eine Luftpumpe, die groß genug ist, den entstandenen Dampf vollständig aufzunehmen. Zusätzlich bringen wir die Luftpumpe in eine Sauna, die genau 100 °C hat. Dennoch isolieren wir zunächst die Luftpumpe gegen die Umgebung.
Würden wir nun den Kolben hineindrücken, passiert das Gleiche, wie vorher bei unserem Experiment mit der Luft: Der Dampf (als Gas) erwärmt sich.
Geben wir den Kolben frei, wird dieser vom Dampf so weit herausgedrückt, bis in der Luftpumpe der Druck von 1013 hPa besteht und der Dampf wieder die Temperatur von 100 °C hat.
Umgekehrt würde sich der Dampf abkühlen, wenn wir den Kolben weiter herausziehen und damit einen Unterdruck verursachen.
Nehmen wir nun die Isolierung der Luftpumpe ab und drücken erneut den Dampf nur leicht zusammen. Wir halten diesen Überdruck konstant, auch wenn sich das Volumen ändert, denn:
Die Temperatur des Dampfes steigt wieder und kann damit Wärme über das Gehäuse an die Umgebung abgeben. Während dieser Wärmeabgabe jedoch kondensiert der Dampf wieder zu Wasser (mit entsprechender Verkleinerung des Volumens) und gibt damit die gesamte Energiemenge der Verdampfungsenthalpie ab.
Mit dieser Verdampfungsenthalpie lässt sich nun sehr viel Sauna-Luft erwärmen.

Kurz bevor der gesamte Dampf kondensiert ist, geben wir den Kolben wieder frei, damit der Druck wieder auf das Niveau der Umgebung sinkt. Jetzt befindet sich im Hub also zum größten Teil Wasser und ein kleiner Rest Dampf mit der Temperatur von 100°C.
Wir befestigen wieder die Isolierung und bringen unsere Pumpe nun in eine andere Sauna, in der eine Temperatur von 80 °C vorherrscht.
Hier ziehen wir den Kolben so weit heraus, bis in der Pumpe ein Unterdruck entsteht, der dem Temperaturwert von 80 °C entspricht.
Daraufhin entfernen wir die Isolierung. Jetzt besteht in der Pumpe und in der zweiten Sauna die gleiche Temperatur; der Druck ist jedoch verschieden.
Ziehen wir den Kolben noch weiter heraus, sinkt mit dem Druck auch die Temperatur im Hub weiter ab, so dass jetzt ein Wärmeübergang von der Sauna zum Wasser in der Pumpe stattfinden kann.
Dieser Wärmestrom bewirkt, dass das Wasser zu kochen beginnt. Halten wir den Unterdruck aufrecht, indem wir den Kolben weiter herausziehen, verdampft das Wasser bereits bei 80 °C und nimmt dabei die Energiemenge der Verdampfungsenthalpie aus der Sauna auf, bis alles Wasser wieder in Dampf umgewandelt wurde.
Es herrscht aber immer noch ein Unterdruck im Hub. Geben wir jetzt den Kolben frei, drückt der Umgebungsdruck auf die Rückseite des Kolbens und verdichtet damit den Dampf wieder bis zu einer Temperatur von 100 °C.
Damit dies aber erst in der Sauna mit 100 °C geschieht, halten wir für den Transport die Pumpe solange auf Unterdruck.
Dort angelangt, können wir nun erneut einen Überdruck erzeugen; es entsteht wieder eine höhere Temperatur, womit ein Wärmestrom zur Umgebung stattfindet und der Dampf erneut kondensiert.

Auf diese Art und Weise haben wir nun viel Energie von der Sauna mit 80 °C in die Sauna mit 100 °C transportiert.
Wir haben Wasser bei geringem Druck und geringer Temperatur zum Verdampfen gebracht und anschließend wieder den Dampf bei hohem Druck und hoher Temperatur in Wasser umgewandelt. Der eigentliche Energietransport fand in Form einer Phasenänderung (Verdampfungsenthalpie) statt.

Genau dieser Prozess läuft in der Wärmepumpe ab. Dort wird das Kältemittel bei niederen Druck-/Temperaturwerten zum Verdampfen veranlasst. Anschließend wird es unter hohen Druck-/Temperaturwerten wieder kondensiert.

Wie gering bzw. wie hoch der Druck beim jeweiligen Vorgang sein muss, hängt von der "Quellentemperatur" (Sauna 80 °C) und der "Nutzungstemperatur" (Sauna 100 °C) ab. Je geringer die Temperatur einer Quelle ist, desto geringer muss der Druck sein, damit ein Wärmestrom stattfinden kann. Und umgekehrt gilt dies für die Kondensationsseite.
Diese Druckdifferenz stellt der Verdichter (Kompressor) her.

Durch geeignete Maßnahmen können wir diesen Prozess zu einem Kreislauf ausbilden und damit kontinuierlich Wärme transportieren.

Wasser besitzt nun eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie. Es hat aber auch einen sehr hohen Siedepunkt und würde für den normalen Wärmepumpeneinsatz enorme Druckdifferenzen erforderlich machen. Wasser ist für Wärmepumpen nicht geeignet.
Hier wird ein Stoff benötigt, der bei relativ geringem Druck / bei niederen Temperaturen verdampft. Die meisten der üblichen Kältemittel verdampfen bei sehr niedrigen Temperaturen.

Die Eigenschaften dieser Stoffe und Kältemittel sind in Dampftafeln oder Dampftabellen dargestellt. Darin ist beschrieben, zu welchem Druck welche Temperatur gehört, wie groß die Dichte in flüssigem und gasförmigem Zustand ist, und welche Verdampfungsenthalpie der Stoff hierbei besitzt.

Diese Daten sind von großer Bedeutung, um die Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe zu ermitteln.
Damit lässt sich auch erklären, warum eine Wärmepumpe mit sinkender Quellentemperatur bzw. mit steigender Differenz zwischen Quellen- und Nutzungstemperatur zum Teil erheblich an Leistung verliert.
Mit sinkender Temperatur auf der Quellenseite verringert sich nicht nur die entsprechende Verdampfungsenthalpie, - viel problematischer ist, dass sich der Dampf deutlich weiter ausdehnt. Da der Kompressor aber bei jedem Hubvorgang nur ein bestimmtes, gleichbleibendes Volumen transportieren kann, wird nun mit sinkendem Druck-/Temperaturniveau und dabei sinkender Stoffdichte immer weniger Kältemittel transportiert.

DAMPFTAFEL

SATURATION PROPERTY TABLE FOR REFRIGERANT: AZ-20 (R410A) * = below atm.

Temp °C	Druck kPa	Druck kPaG	Dichte kg/m³ Flüssig	Volumen m³/kg Gas	Enthalpie kJ/kg Flüssig	Enthalpie kJ/kg Gas	Entropie kJ/kg K Flüssig	Entropie kJ/kg K Gas
-100	5,58	-95,7*	1498,21	3,54 373	-49,340	216,390	-0,2414	1,2933
-95	8,14	-93,2*	1483,66	2,4879	-45,930	219,440	-0,2220	1,2676
-90	11,65	-89,7*	1469,02	1,7840	-42,410	222,480	-0,2025	1,2438
-85	16,35	-85,0*	1454,29	1,3020	-38,770	225,510	-0,1830	1,2217
-80	22,56	-78,8*	1439,45	0,9657	-35,030	228,530	-0,1633	1,2012
-75	30,63	-70,7*	1424,5	0,7271	-31,150	231,530	-0,1436	1,1822
-70	40,97	-60,4*	1409,41	0,5549	-27,150	234,500	-0,1236	1,1644
-65	54,05	-47,3*	1394,17	0,4289	-23,010	237,440	-0,1035	1,1477
-60	70,4	-30,9*	1378,78	0,3354	-18,720	240,330	-0,0833	1,1321
-55	90,6	-10,7*	1363,2	0,2651	-14,290	243,170	-0,0628	1,1175
-50	115,3	14	1347,44	0,2116	-9,700	245,960	-0,0420	1,1037
-45	145,22	43,9	1331,45	0,1704	-4,940	248,690	-0,0211	1,0906
-40	181,13	79,8	1315,23	0,1384	-0,010	251,350	0,0215	1,0783
-35	223,87	122,5	1298,74	0,1133	5,100	253,930	0,0217	1,0666
-30	274,33	173	1281,96	0,0935	10,390	256,430	0,0436	1,0555
-25	333,46	232,1	1264,86	0,0776	15,890	258,840	0,0657	1,0448
-20	402,29	301	1247,38	0,0648	21,580	261,160	0,0883	1,0346
-15	481,86	380,5	1229,5	0,0544	27,500	263,360	0,1112	1,0248
-10	573,31	472	1211,16	0,0459	33,650	265,460	0,1344	1,0154
-5	677,79	576,5	1192,31	0,0389	40,030	267,430	0,1581	1,0062
0	796,52	695,2	1172,87	0,0331	46,670	269,270	0,1823	0,9885
5	930,74	829,4	1152,77	0,0283	53,580	270,960	0,2070	0,9885
10	1081,75	980,4	1131,9	0,0243	60,780	272,500	0,2321	0,9799
15	1250,86	1149,5	1110,15	0,0209	68,280	273,860	0,2579	0,9713
20	1439,42	1338,1	1087,37	0,0180	76,120	275,030	0,2843	0,9628
25	1648,83	1547,5	1063,38	0,0155	84,330	275,980	0,3114	0,9542
30	1880,46	1779,1	1037,95	0,0134	92,940	276,700	0,3393	0,9455
35	2135,74	2034,4	1010,76	0,0116	102,020	277,150	0,3682	0,9365
40	2416,11	2314,8	981,38	0,0100	111,620	277,290	0,3982	0,9272
45	2722,99	2621,7	949,24	0,0087	121,870	277,070	0,4296	0,9174
50	3057,85	2956,5	913,42	0,0075	132,920	276,410	0,4630	0,9070
55	3422,12	3320,8	872,47	0,0064	145,060	275,200	0,4990	0,8956
60	3817,27	3715,9	823,78	0,0054	158,830	273,230	0,5392	0,8826
65	4244,73	4143,4	761,49	0,0045	175,490	270,040	0,5872	0,8669
70	4705,96	4604,6	665	0,0035	199,910	263,910	0,6570	0,8435
75	***** TC = 72,49998 °C : PC = 4949,681 KPa *****