Das Zustandsdiagramm eines Stoffes Einen Überblick über die Phasenübergänge eines Stoffes erhält man, wenn man in einem Druck-Temperatur-Diagramm den Schmelz-, den Dampf- und den Sublimationsdruck als Funktion der Temperatur einzeichnet. Wir betrachten dazu das Zustandsdiagramm von Wasser (110.1). Die drei Druck-Temperatur-Kurven trennen Gebiete voneinander, in denen nur der feste oder nur der flüssige oder nur der gasförmige Aggregatzustand existiert. Jeder Punkt auf einer der Kurven bedeutet, dass jeweils zwei Zustände – z. B. fest und flüssig – gleichzeitig vorkommen. Es sind Punkte, in denen Phasenübergänge stattfinden. Alle drei Kurven laufen in einem Punkt zusammen. Dieser Punkt heißt Tripelpunkt. Er gibt an, bei welchem Druck und bei welcher Temperatur alle Phasen des jeweiligen Stoffs gleichzeitig vorkommen. Wasserdampf mal 3 Tanzende Wassertropfen Man könnte annehmen, dass eine Flüssigkeit umso schneller verdampft, je heißer die Heizfläche ist. Eine einfache Beobachtung zeigt, dass dies nicht immer zutrifft. Spritzt man Wasser auf eine heiße Herdplatte, so sieht man, wie einzelne Wassertropfen minutenlang über die Herdplatte tanzen. Auf der Tropfenunterseite hat sich eine Dampfschicht gebildet. Wie alle Gase ist Wasserdampf ein schlechter Wärmeleiter. Die Dampfschicht behindert den Wärmefluss zum Wassertropfen, weshalb er nur langsam verdampft (110.2). Im großen Maßstab kann etwa die Ausbildung einer isolierenden Dampfschicht an der Wand eines Dampfkessels zur Überhitzung der Kesselwand und im schlimmsten Fall zum Materialversagen und zur Kesselexplosion führen. Der gefährliche Fettbrand Beim Verdampfen nimmt das Volumen schlagartig zu – am Siedepunkt bei normalem Luftdruck um etwa den Faktor 1 700! Das macht nicht nur den Siedeverzug so gefährlich, es ist eine häufge Ursache von schweren Unfällen in Küchen und Industriebetrieben. Wenn Frittierfett in der Pfanne zu heiß wird, verdampft Fett, das sich selbst entzünden kann. Versucht man nun, den sich anbahnenden Zimmerbrand durch Löschen mit Wasser zu verhindern, löst man erst recht eine Katastrophe aus. Wasser ist schwerer als Fett und sinkt in der Pfanne ins heiße Fett. Beim schlagartigen Verdampfen verteilt es das Fett in einer Wolke aus kleinen Tröpfchen, die nun gleichzeitig in einer Stichflamme verbrennen. Schwere Verbrennungen von Personen und große Sachschäden sind die Folge. Im Internet sind übrigens eindrucksvolle Demonstrationen von Fettbränden zu sehen, mit denen Feuerwehren über die Gefahren informieren. In Industriebetrieben kann es durch den Kontakt von Wasser mit flüssigem Metall zu schweren Unfällen kommen. Wie beim Fettbrand wird dabei flüssiges Metall mit oft tödlichen Folgen für Menschen zerstäubt. Energiesparen – die Brennwerttherme Häufig dient Erdgas zur Warmwasserbereitung und zur Heizung. Um den Einsatz von Erdgas ökologischer und ökonomischer zu gestalten, wurde die Brennwerttherme entwickelt. Mit Hilfe der Brennwerttherme kann man ca. 10 % Erdgas einsparen. Erdgas besteht großteils aus Methan CH4. Beim Verbrennen entsteht gemäß der Reaktion CH4 + 2 O2 ¥ CO2 + 2 H2O Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die etwa 1200°C heißen Verbrennungsgase heizen den Warmwasserspeicher und verlassen die Brennkammer mit etwa 150 °C. Statt sie direkt in den Abluftkamin zu leiten, lässt man sie zuvor das zurückfließende Wasser der Heizung (Rücklauf) und die angesaugte Verbrennungsluft vorwärmen (110.3). Dabei kondensiert der Wasserdampf und gibt Kondensationswärme ab. Auch wenn der Einsatz von Erdgas nicht nachhaltig erscheinen mag, kann man so zumindest die Effizienz steigern. 110.1 Das Zustandsdiagramm von Wasser. Am Tripelpunkt (T = 0,01 °C, p = 6 mbar) existieren die drei Phasen fest, flüssig, gasförmig gleichzeitig. Am kritischen Punkt (T = 374 °C, p = 221 bar) endet die Dampfdruckkurve. Bei noch höherer Temperatur lassen sich die Phasen flüssig und gasförmig nicht mehr unterscheiden. Bei tieferer Temperatur trennt die Dampfdruckkurve die flüssige Phase von der gasförmigen. (Beachte die Skala der vertikalen Achse! Vergleiche mit der Dampfdruckkurve in 107.2 und erkläre die unterschiedliche Kurvenform!) 110.3 Prinzip der Brennwerttherme. Luft Gas 1. Wärmetauscher 2. Wärmetauscher Abgase Abgasventilator Abgase Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf Heizkörper Kondensatablauf 110.2 Wassertropfen können auf heißen Herdplatten tanzen. Ein Dampfpolster trägt und schützt sie, bis sie vollständig verdampft sind. Diesen sogenannten Leidenfrost-Effekt kann man etwas spektakulärer mit flüssigem Stickstoff vorführen. schwebender Wassertropfen Dampfschicht Temperatur >220 °C 110 Thermodynamik 2 Phasenübergänge Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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