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 verlassen 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 gasförmigen Zustand. Über der Flüssigkeit befindet sich nun Dampf, dessen Dichte und Druck nur von der Temperatur abhängen (107.1). 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 eingeschlossenen Luft zusammen. Um nur den Dampfdruck zu untersuchen, pumpen wir zunächst die Luft heraus. 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 107.1 E1 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 Gefäß enthält dann die Flüssigkeit und darüber ihren gesättigten Dampf (107.1). Erstelle beim Abkühlen des Gefäßes ein Diagramm (Dampfdruckkurve), das den Druck des Dampfs als Funktion der Temperatur zeigt (107.2). Im Diagramm (107.2) beschreiben die Punkte auf der Kurve Wasser im Gleichgewicht des flüssigen mit dem gasförmigen Zustand. Im Bereich von 0 °C bis 100 °C steigt der Dampfdruck von 6 mbar auf 1 013 mbar. Die Dampfdruckkurve endet abrupt beim kritischen Punkt, einem für die Flüssigkeit charakteristischen Wert von Druck und Temperatur. Bei Wasser betragen die kritische Temperatur Tk = 374,15 °C und der kritische Druck pk = 221,15 bar (108.1). Am kritischen Punkt verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit 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 (110.1). Kurzer Ausflug in die Küchenphysik Um Speisen längere Zeit vor dem Verderben zu schützen, müssen sie sterilisiert und unter Luftabschluss aufbewahrt werden. Das Einsieden ist eine bewährte Methode. Die Speise (Kompott, Marmelade oder andere Speisen mit hohem Wasseranteil) wird in einem Einsiedeglas bis zum Siedepunkt erhitzt (107.4). Dadurch werden Schimmelpilzsporen und Hefen abgetötet (Sterilisation). Durch das Erreichen des Siedepunkts ist der Dampfdruck gleich dem Luftdruck, der Raum über der Speise enthält fast nur noch Wasserdampf. Mit einem Dichtungsring, umgangsprachlich Einsiedegummi genannt, und Deckel versehen ist eine lange lagerbare Konserve entstanden. Der Raum über dem Inhalt enthält praktisch nur Wasserdampf. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur ist z. B. bei 20 °C der Druck im Inneren mit ca. 25 mbar wesentlich kleiner als der Luftdruck. Der Deckel sitzt nun fest. So wiederholt sich der Schauversuch des Magdeburger Bürgermeisters nach über 350 Jahren in vielen Küchen. 107.1 Experiment zur Messung des Dampfdrucks Dampf Flüssigkeit Thermometer Manometer p 107.2 Der Sättigungsdampfdruck von Wasser zwischen 0 °C und 100 °C steigt nahe dem Siedepunkt steil an. Druck in mbar p Temperatur in °C 0 20 40 60 80 100 1200 1000 800 600 400 200 0 T 107.3 Mit steigender Temperatur bewegen sich die Moleküle schneller, mehr Moleküle wechseln aus der Flüssigkeit in den Dampf. Die Dichte (Masse pro Volumen) des Dampfs nimmt zu. Der Druck des Dampfes ändert sich gemäß der Dampfdruckkurve. 107.5 Vergrößert man das Volumen, so treten mehr Moleküle in den Dampfraum über, bis die ursprüngliche Dichte wieder hergestellt ist. 107.4 Physik in der Küche: Kompott wird eingesiedet und damit konserviert. 107 Thermodynamik 2 Phasenübergänge Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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