Phasenübergang flüssig-gasförmig

Das Wasser verdunstet. In einer Flüssigkeit haben nur wenige Moleküle ausreichend Energie, um gegen die Anziehung der Molekularkräfte den Molekülverband zu verlassen. Über der Wasseroberfläche bilden sie die gasförmige Phase von Wasser - den Wasserdampf.

Manche Moleküle werden infolge der Molekularbewegung wieder vom Dampf ins Wasser zurückkehren. Man kann dies verhindern, indem man z.B. den Dampf wegbläst. Auch durch Diffusion wandern Moleküle weg. Da in diesem Fall das flüssige Wasser fortwährend Moleküle an den Dampf abgibt, aber nur wenige Moleküle zurückkehren, wird die Verdunstung begünstigt.

Daher trocknet z.B. Wäsche im Wind rascher und ein Föhn lässt nasse Haare schnell trocknen.

Indem das Wasser die schnellsten Moleküle verliert, nimmt die mittlere Molekülgeschwindigkeit ab. Das Wasser wird kälter. Der Schweiß verdunstet und der Körper kühlt ab.

Ebenso wird feuchte Badewäsche oft als kalt empfunden.

In der Medizin benützt man die Verdunstungskälte bei der Anästhesie - die Haut wird weniger schmerzempfindlich, wenn man z. B. Chlorethan auf ihr verdunsten lässt.

Aus der Suppe verdunsten die schnellsten Moleküle. Durch das Blasen werden sie wegtransportiert, die Suppe wird dadurch schneller kühl.

Aus der Wäsche verdunsten Wassermoleküle. Der Wind entfernt die Moleküle und beschleunigt so das Trocknen.

Die Temperatur sinkt, weil beim Verdunsten die energiereichsten Moleküle den Flüssigkeitsverband verlassen. Die zurückbleibenden Moleküle haben geringere Energie, das bedeutet eine niedrigere Energie der Flüssigkeit.

Um den Übergang flüssig-gasförmig besser untersuchen zu können, müssen wir das Verdunsten der Flüssigkeit verhindern.

Dazu schließen wir sie in einem geschlossenen Gefäß ein. Energiereiche Moleküle verlassen die Flüssigkeitsoberfläche und bewegen sich im Raum über der Flüssigkeit, gleichzeitig kehren Moleküle in die Flüssigkeit zurück. Es bildet sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Kondensation aus. Eine konstante Dichte des Dampfs stellt sich ein, deren Größe nur von der Temperatur abhängt.

Hinweis: 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, sollten wir zunächst die Luft entfernen. Wir haben dann im Gefäß einen einzigen Stoff (z.B. Wasser) in zwei Zuständen (flüssig und gasförmig).

EXP Gesättigter Dampf

Die Dampfdruckkurve zeigt auch, dass im Gegensatz zum Verhalten eines idealen Gases der Dampfdruck nicht proportional zur Temperatur ansteigt, sondern stärker.

Begründung: Im idealen Gas bleibt die Teilchenzahl gleich, der Druck steigt proportional zur Temperatur. Im System Flüssigkeit-Gas steigt bei Temperaturerhöhung 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.

Die Dampfdruckkurve endet abrupt beim kritischen Punkt, einem für die Flüssigkeit charakteristischen Wert von Druck und Temperatur. Bei Wasser betragen die kritische Temperatur `T_k=374,15 °C` und der kritische Druck $p_k=221,15\ bar$. 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.

Die Dampfdruckkurve des Wassers ist technisch sehr wichtig. Beispielsweise arbeiten Dampfturbinen in Wärmekraftwerken umso effektiver, je höher die Dampftemperatur ist. Hohe Temperaturen von über 500 °C und Drücke von über 100 bar stellen an das Material von Dampfkessel und Turbinenschaufeln hohe Anforderungen.

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 ionisierende Teilchen erzeugen längs ihrer Bahnen Ionen, die als Kondensationskeime wirken: Kleine Flüssigkeitströpfchen (Nebeltröpfchen) entstehen. Die Flugbahnen der ionisierenden Teilchen werden sichtbar. 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.

Da stets die schnellsten Moleküle die Flüssigkeit verlassen und in den gesättigten Dampf übertreten gilt:

a) Der Dampf ist wärmer als die Flüssigkeit.
b) Der Dampf ist gleich warm wie die Flüssigkeit.
c) Der Dampf ist kühler als die Flüssigkeit.

Begründe deine Auswahl!

a) Der Dampfdruck steigt.
b) Der Dampfdruck sinkt.
c) Der Dampfdruck ändert sich nicht.

EXP Erhitzen von Wasser in einem offenen Gefäß

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. 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 mikroskopisch kleinen Verunreinigungen oder Unregelmäßigkeiten innerhalb der Flüssigkeit 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 1013 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. Die zugeführte Energie bewirkt ein weiteres Verdampfen.

Bei niedrigerem Luftdruck siedet Wasser unterhalb von 100°C. Z.B. siedet Wasser am Mount Everest bei etwa 70 °C, der Luftdruck beträgt dort etwa ein Drittel des Luftdrucks auf Meeresniveau.

VID Tee im Gebirge

Nach Erreichen der Siedetemperatur bleibt die Temperatur der Flüssigkeit trotz Wärmezufuhr konstant. Die zugeführte Wärme dient nur zur Überwindung der Molekularkräfte (Trennen der Wasserstoffbrückenbindungen) beim Übergang von der Flüssigkeit in den Dampf.

Kühlt man Wasserdampf unter die Siedetemperatur, so binden die zwischenmolekularen Kräfte die Moleküle erneut aneinander. Der meiste Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser. Dabei gibt er die zuvor aufgenommene Verdampfungswärme als Kondensationswärme wieder ab. Einige Moleküle bleiben als Dampf über der Flüssigkeit. Wasserdampf kondensiert an Flächen (z.B. Bildung von Tau) oder mikroskopisch kleinen Körpern, wie Wassertröpfchen oder Staubkörnern (z.B. Wolkenbildung; Smog, smoke + fog).

Dampfblasen entstehen an mikroskopisch kleinen Verunreinigungen. Bei sehr reinen Substanzen kann die Phasenumwandlung weit über den Siedepunkt, bzw. unter den Gefrierpunkt verzögert werden. Bei Siedeverzug ist die Flüssigkeit überhitzt, ihre Temperatur ist höher als der normale Siedepunkt.

Eine kleine Störung, z.B. eine Erschütterung, lässt die Flüssigkeit schlagartig verdampfen. Die explosionsartige Volumenausdehnung auf etwa das 1700-fache kann zu schweren Unfällen führen. Daher verwendet man in der Chemie sog. Siedesteinchen, an deren porösen Oberflächen sich Dampfblasen bilden.

a) Vom äußeren Luftdruck
b) Vom Dampfdruck
c) Vom Volumen