Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Gas K °C Wasserdampf 647,3 374 Kohlendioxid 304,1 31 Sauerstoff 154,7 −118 Stickstoff 126,3 −147 Wasserstoff 33,2 −240 Helium 5,2 −268 103.1 Kritische Temperatur einiger Gase Gase können nur unterhalb der kritischen Tem- peratur verflüssigt werden. Die Dampfdruckkurve des Wassers ist technisch sehr wichtig. Dampfturbinen in Wärmekraftwerken arbeiten umso effektiver, je heißer der Dampf ist. Tempera- turen bis 600 °C und Drücke bis 300bar stellen an das Material von Dampfkessel und Turbinenschaufeln hohe Anforderungen.  Untersuche, überlege, forsche: Der Druckkochtopf 103.1 S 2 Es heißt, dass man mit einem Druckkochtopf Energie sparen kann. Informiere dich über Aufbau, Wirkungsweise und die Geschichte dieser Erfindung. 1911 – Radioaktivität sichtbar gemacht c Das Sieden Experiment: Erhitzen von Wasser in einem offenen Gefäß 103.1 E 2 Du brauchst: Gefäß, Thermometer, Heizplatte, Wasser Beobachte die Vorgänge beim Erwärmen von Wasser bis 100 °C ( 103.3 ). Miss die Temperatur alle 30 s und fertige ein Diagramm T = f (t) an. Beschreibe deine Beob- achtungen. (Vorsicht: Gefahr von Verbrühungen!) Zunächst beobachten wir, wie die Verdunstung im offenen Gefäß stärker wird. Durch Konvektion gelangt Wasser, das am heißen Gefäßboden erwärmt wird, an die Ober- fläche. Der Dampfdruck nimmt mit der Temperatur zu, immer mehr Teilchen treten aus der Flüssigkeit in die Luft aus. Durch Konvektion werden sie abtransportiert und es kann sich kein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf einstellen. Wenn aber z. B. am Gefäßboden die Temperatur so hoch ist, dass der Dampfdruck größer als der hydrostatische Druck in der Flüssigkeit ist, bilden sich an mikro- skopisch kleinen Verunreinigungen oder Unregelmäßigkeiten innerhalb der Flüs- sigkeit Dampfbläschen: Dort reicht die Bewegungsenergie der Teilchen, um die Bindung zwischen den Wassermolekülen zu lösen. Wegen ihrer geringeren Dichte steigen Dampfbläschen durch Auftrieb zur Oberfläche und transportieren dabei Energie. Wenn auch das Wasser an der Oberfläche die Siedetemperatur (100 °C bei einem Druck von 1 013mbar ) erreicht hat, ist der Dampfdruck an der Oberfläche gleich dem Umgebungsdruck (Luftdruck). Die Wassermoleküle entweichen nun ungehindert, was eine gesteigerte Wärmeabfuhr bewirkt. Daher bleibt die Tempe- ratur der Flüssigkeit auch bei weiterer Wärmezufuhr konstant. Die zugeführte Energie bewirkt ein weiteres Verdampfen. Die Verdampfung aus dem Inneren der Flüssigkeit heißt Sieden . Sieden tritt ein, wenn der Dampfdruck dem Luftdruck entspricht. 100 °C Temperatur  103.3 Während des Siedens bleibt die Tem- peratur konstant. Der schottische Physiker Charles T. R. Wilson (1869–1959) konnte als Erster im Jahr 1911 die Flugbahnen von α -Teilchen sichtbar machen. Das Prinzip der von ihm entwickelten Nebelkammer nutzt die Eigenschaften von Dämpfen: In einem geschlossenen Gefäß verdampft Alkohol und bildet gesättigten Dampf. Das Gefäß ist durch einen verschiebbaren Kolben verschlossen. Durch rasches Herausziehen des Kolbens wird das Volumen der Kammer plötzlich vergrößert. Dadurch sinken Druck und Temperatur schlagartig, da in der kurzen Zeit der Ex- pansion kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Nun ist für die niedrigere Temperatur zu viel Dampf vorhanden, der Dampf ist übersättigt. Der übersättigte Dampf sollte teilweise kondensieren, damit sich wieder ein Gleich- gewichtszustand einstellt. Kleine Flüssigkeitströpfchen bilden sich jedoch nur, wenn Kondensationskeime vorhanden sind. Hier kommt nun die Radioaktivität ins Spiel. α -Teilchen, die von einem Mineral ausgehen, das Uran enthält, Teilchen 103.2 Spuren von ionisierenden Teilchen in einer Nebelkammer. Die Aufnahme zeigt die erste beobachtete Umwandlung eines Atomkerns. 4 2 He 17 8 O 1 1 p He +N ¥ O+p der kosmischen Strahlung und andere ionisierende Teilchen erzeugen längs ihrer Bahnen Ionen, die als Kondensati- onskeime wirken: Kleine Flüssigkeitströpfchen (Nebeltröpfchen) entstehen. Die Flugbahnen der ionisierenden Teilchen werden sichtbar. ( 103.2 ) Viele Jahrzehnte lang wurden Nebelkammern in der Forschung genutzt, bis sie von elektro- nischen Nachweisgeräten abgelöst wurden. Heute regen sie in naturwissenschaftlichen Museen Menschen zu Fragen an. 103 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv