Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Dampf Flüssigkeit Thermometer Manometer p 102.1 Experiment zur Messung des Dampf- drucks Druck in kPa p Temperatur in °C 0 20 40 60 80 100 120 100 80 60 40 20 0  102.2 Der Sättigungsdampfdruck von Wasser zwischen 0 °C und 100 °C steigt nahe dem Siedepunkt steil an. 102.3 Sowohl die Dichte wie auch die thermische Bewegung der Moleküle im Dampf nehmen mit der Temperatur zu. 102.4 Vergrößert man das Volumen, so treten mehr Moleküle in den Dampfraum über, bis die ursprüngliche Dichte wieder hergestellt ist. b Der Dampfdruck Um den Übergang flüssig-gasförmig einer Substanz (z. B. Wasser) zu untersuchen, müssen wir den Verlust von Flüssigkeit durch Verdunstung verhindern. Dazu schließen wir die Substanz in ein Druckgefäß ein. Energiereiche Moleküle verlas- sen die Flüssigkeitsoberfläche und bewegen sich im Raum über der Flüssigkeit, gleichzeitig kehren Moleküle in die Flüssigkeit zurück. Bei konstanter Temperatur bildet sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem flüssigen und dem gas- förmigen Zustand. Dadurch erreicht der gasförmige Anteil eine konstante Dichte und einen konstanten Druck, die nur von der Temperatur abhängen. ( 102.2 ) Der mit der Flüssigkeit im Gleichgewicht stehende Dampf heißt gesättigter Dampf . Sein Druck auf die Flüssigkeitsoberfläche und die Gefäßwand heißt Dampfdruck der Flüssigkeit.  Meist befindet sich im Raum über der Flüssigkeit zusätzlich Luft, und der Druck über der Flüssigkeit setzt sich aus dem Dampfdruck und dem Druck der einge- schlossenen Luft zusammen. Um nur den Dampfdruck zu untersuchen, sollten wir zunächst die Luft entfernen. Wir haben dann im Gefäß einen einzigen Stoff (z. B. Wasser) in zwei Zuständen (flüssig und gasförmig). Wie ändert sich der Dampfdruck mit der Temperatur? Experiment: Dampfdruck von Wasser 102.1 E 1 Du brauchst: ein Druckgefäß mit Thermo- und Manometer, Heizplatte, Wasser Fülle das Druckgefäß mit Wasser und erwärme es, bis der Druck des Dampfes den äußeren Luftdruck übersteigt. Lass über ein Ventil im Deckel eventuelle Restluft und etwas Wasserdampf ab, so dass sich keine Luft mehr im Gefäß befindet. Das Ge- fäß enthält dann die Flüssigkeit und darüber ihren gesättigten Dampf ( 102.1 ). Erstelle beim Abkühlen des Gefäßes ein Diagramm ( Dampfdruckkurve ), das den Druck des Dampfs als Funktion der Temperatur zeigt ( 102.2 ). Im Diagramm ( 102.2 ) trennt die Dampfdruckkurve den flüssigen Zustand vom gasförmigen Zustand. Die Punkte auf der Kurve beschreiben Wasser im Gleich- gewicht des flüssigen mit dem gasförmigen Zustand. Im Bereich von 0 °C bis 100 °C steigt der Dampfdruck von 6 mbar auf 1 013 mbar . Im Bereich links von der Kurve gibt es nur flüssiges Wasser, rechts nur gasförmiges Wasser. Die Dampfdruckkurve ( 102.2 , 105.1 ) zeigt, dass im Gegensatz zum Verhalten eines idealen Gases der Dampfdruck nicht proportional zur Temperatur ansteigt, sondern stärker. Im idealen Gas bleibt die Teilchenzahl gleich, der Druck steigt proportional zur Temperatur. Im System Flüssigkeit-Gas steigt bei Temperatur- erhöhung einerseits die mittlere kinetische Energie der Moleküle, und andererseits verlassen mehr Moleküle die Flüssigkeit. Es stellt sich ein neues dynamisches Gleichgewicht bei einem höheren Dampfdruck ein. Ändert sich der Dampfdruck, wenn wir das Dampfvolumen verändern? Vergrößert man das Volumen des Dampfes bei gleich bleibender Temperatur, so nehmen zu- nächst Dichte und Druck ab. Bis die ursprüngliche Dichte des Dampfes wieder er- reicht ist, können mehr Moleküle die Flüssigkeit verlassen als in sie zurückkehren, ( 102.2 ). Solange noch Flüssigkeit vorhanden ist, hängen die Dampfdichte und der Dampfdruck über der Flüssigkeit daher nicht vom Volumen ab. Der Druck eines gesättigten Dampfes steigt mit wachsender Temperatur, ist aber unabhängig vom Volumen. Die Dampfdruckkurve endet abrupt beim kritischen Punkt , einem für die Flüssig- keit charakteristischen Wert von Druck und Temperatur. Bei Wasser betragen die kritische Temperatur T k = 374,15 °C und der kritische Druck p k = 221,15 bar ( 102.1 ). Am kritischen Punkt verschwindet der Unterschied zwischen Flüssig- keit und Gas. Die thermische Bewegung ist nun so stark, dass die Teilchen auch bei noch größerem Druck nicht an ihre nächsten Nachbarn gebunden bleiben. Über dem kritischen Punkt gibt es nur noch Gas ( 105.1 ). 102 WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv