Die Dampfdruckkurve des Wassers ist technisch sehr wichtig. Dampfturbinen in Wärmekraftwerken arbeiten umso effektiver, je heißer der Dampf ist. Temperaturen bis 600 °C und Drücke bis 300 bar stellen an das Material von Dampfkessel und Turbinenschaufeln hohe Anforderungen. Untersuche, überlege, forsche: Der Druckkochtopf 108.1 S2 Es heißt, dass man mit einem Druckkochtopf Energie sparen kann. Informiere dich über Aufbau, Wirkungsweise und die Geschichte dieser Erfindung. Sieden Experiment: Erhitzen von Wasser in einem offenen Gefäß 108.1 E3 Du brauchst: Gefäß, Thermometer, Heizplatte, Wasser Beobachte die Vorgänge beim Erwärmen von Wasser bis 100°C (108.3). Miss die Temperatur alle 30 s und fertige ein Diagramm T = f (t) an. Beschreibe deine Beobachtungen (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 Oberfläche. Der Dampfdruck nimmt mit der Temperatur zu, immer mehr Teilchen treten aus der Flüssigkeit in die Luft aus. Luftströmungen führen sie weg, 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 ist als der hydrostatische Druck in der Flüssigkeit, bilden sich an mikroskopisch kleinen Verunreinigungen oder Unregelmäßigkeiten innerhalb der Flüssigkeit Dampfbläschen: 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 1 013 mbar) 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 Temperatur der Flüssigkeit auch bei weiterer Wärmezufuhr konstant, während weiteres Wasser verdampft. Die Verdampfung aus dem Inneren der Flüssigkeit heißt Sieden. Sieden tritt ein, wenn der Dampfdruck dem Luftdruck entspricht. 100 °C Temperatur T 108.3 Während des Siedens bleibt die Temperatur konstant. 108.1 Kritische Temperatur einiger Gase. Gase können nur unterhalb der kritischen Temperatur verflüssigt werden. 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 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 Expansion 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 Gleichgewichtszustand 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 der kosmischen Strahlung und andere ionisie- 1911 – Radioaktivität sichtbar gemacht 4 2He 17 8O 1 1 p He + N ¥ O + p 108.2 Spuren von ionisierenden Teilchen in einer Nebelkammer. Die Aufnahme zeigt die erste beobachtete Umwandlung eines Atomkerns. rende Teilchen erzeugen längs ihrer Bahnen Ionen, die als Kondensationskeime wirken: Kleine Flüssigkeitströpfchen (Nebeltröpfchen) entstehen. Die Flugbahnen der ionisierenden Teilchen werden sichtbar (108.2). Viele Jahrzehnte lang wurden Nebelkammern in der Forschung genutzt, bis sie von elektronischen Nachweisgeräten abgelöst wurden. Heute regen sie in naturwissenschaftlichen Museen Menschen zu Fragen an. 108 Thermodynamik 2 Phasenübergänge Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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