====== Phasenübergang flüssig-gasförmig ====== ===== Verdunstung ===== ++++ LF Lässt man ein Gefäß mit Wasser längere Zeit offen stehen, so wird das Wasser allmählich immer weniger. Wohin verschwindet es?| 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. {{:ph:wl:se6_032_3a.jpg?200&direct|}}\\ {{:ph:wl:se6_033_3b.jpg?200&direct|}} \\ \\ \\ // Flüssigkeit verdunstet: Die schnellsten Moleküle überwinden die anziehenden Molekularkräfte. \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ Durch Blasen kann man die Dampfmoleküle entfernen, bevor sie in die Flüssigkeit zurückkehren. Indem die energiereichsten Moleküle entfernt werden, sinkt die Temperatur der Flüssigkeit. // ++++ ++++ M Verdunstung| Bei einer **Verdunstung** geht ein Stoff vom **flüssigen in den gasförmigen Zustand** über, **ohne** dabei die **Siedetemperatur** zu erreichen. Zur Verdunstung kommt es, wenn die Gasphase über der Flüssigkeit noch nicht mit Dampf gesättigt ist. ++++ ++++ EX Haarföhn| Daher trocknet z.B. Wäsche im Wind rascher und ein Föhn lässt nasse Haare schnell trocknen. ++++ ++++ EX Schwitzen| 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. ++++ ++++ EX Lokalanästhesie| In der Medizin benützt man die Verdunstungskälte bei der Anästhesie - die Haut wird weniger schmerzempfindlich, wenn man z. B. Chlorethan auf ihr verdunsten lässt. ++++ ---- ++++ F Warum bläst man über eine heiße Suppe?| Aus der Suppe verdunsten die schnellsten Moleküle. Durch das Blasen werden sie wegtransportiert, die Suppe wird dadurch schneller kühl. ++++ ++++ F Warum trocknet Wäsche im Wind schneller?| Aus der Wäsche verdunsten Wassermoleküle. Der Wind entfernt die Moleküle und beschleunigt so das Trocknen. ++++ ++++ F Was geschieht beim Aufbringen eines Kältesprays auf die Haut?| 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. ++++ \\ \\ ===== Dampfdruck ===== ++++ Dampfdruck| 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. Der mit der Flüssigkeit im Gleichgewicht stehende Dampf heißt **gesättigter Dampf**. Sein Druck auf die Flüssigkeitsoberfläche und die Gefäßwand heißt **Dampfdruck** der Flüssigkeit. ++++ ++++ LF Wie ändert sich der Dampfdruck mit der Temperatur?| 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** {{:ph:wl:se6_034_1.jpg?200&direct|}} \\ \\ \\ // Wie verhält sich der Dampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur? // {{:ph:wl:se6_034_2.jpg?400&direct|}} \\ \\ \\ // Der Sättigungsdampfdruck von Wasser zwischen 0°C und 100°C steigt nahe dem Siedepunkt steil an. Im Diagramm trennt die Dampfdruckkurve den flüssigen Zustand vom gasförmigen Zustand. Die Punkte auf der Kurve beschreiben Wasser im Gleichgewicht des flüssigen mit dem gasförmigen Zustand. Im Bereich von 0 °C bis 100 °C steigt der Dampfdruck von 6 mbar auf 1013 mbar. Im Bereich links von der Kurve gibt es nur flüssiges Wasser, rechts nur gasförmiges Wasser. // ++++ ++++ BEM Dampf ist kein ideales Gas| 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. ++++ ++++ LF Ändert sich der Dampfdruck, wenn wir das Dampfvolumen verändern?| {{:ph:wl:se6_034_4a.jpg?100&direct|}}\\ \\ {{:ph:wl:se6_034_4b.jpg?200&direct|}} \\ \\ \\ // Vergrößert man das Volumen des Dampfes bei gleich bleibender Temperatur, so nehmen zunächst Dichte und Druck ab. Bis die ursprüngliche Dichte des Dampfes wieder erreicht ist, können mehr Moleküle die Flüssigkeit verlassen als in sie zurückkehren. Solange noch Flüssigkeit vorhanden ist, hängen die Dampfdichte und der Dampfdruck über der Flüssigkeit daher nicht vom Volumen ab. // Der Druck eines gesättigten Dampfes steigt mit wachsender Temperatur, ist aber unabhängig vom Volumen. ++++ ++++ LF Was versteht man unter der kritischen Temperatur einer Flüssigkeit?| 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. {{:ph:wl:se6_035_1.jpg?300&direct|kritische Temperaturen}} \\ \\ \\ // Kritische Temperatur einiger Gase Gase können nur unterhalb der kritischen Temperatur verflüssigt werden. // {{youtube>EfiAUlK788Y|VID Kritischer Punkt von Freon}} ++++ ++++ BEM Technische Bedeutung der kritischen Temperatur| 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. ++++ ++++ EX Übersättigter Dampf - Wilson'sche Nebelkammer| Der schottische Physiker [[wpde>Charles_Thomson_Rees_Wilson|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. {{:ph:wl:se6_035_2.jpg?300&direct|Nebelkammer}} \\ \\ \\ // Spuren von ionisierenden Teilchen in einer Nebelkammer. Die Aufnahme zeigt die erste beobachtete Umwandlung eines Atomkerns. // ++++ ---- ++++ F Welche Aussagen gelten für die schnellsten Moleküle einer Flüssigkeit?| 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! ++++ ++++ F Wie ändert sich der Dampfdruck, wenn die Temperatur steigt?| a) Der Dampfdruck steigt.\\ b) Der Dampfdruck sinkt.\\ c) Der Dampfdruck ändert sich nicht.\\ ++++ \\ \\ ===== Sieden ===== ++++ LF Was passiert beim Sieden einer Flüssigkeit?| **EXP Erhitzen von Wasser in einem offenen Gefäß** {{:ph:wl:se6_035_3.jpg?200&direct|Sieden}} \\ \\ \\ // Während des Siedens bleibt die Temperatur konstant. // 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. ++++ ++++ Sieden| Die **Verdampfung aus dem Inneren der Flüssigkeit** heißt **Sieden**. Sieden tritt ein, wenn der **Dampfdruck dem Luftdruck entspricht**. ++++ ++++ LF Wie hängt die Siedetemperatur vom Luftdruck ab?| 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. {{:ph:wl:se6_036_1a.jpg?600|Luftdruck und Siedetemperatur}} {{:ph:wl:pasted:20160425-174313.png?500&direct|Druck in Abhängigkeit von Höhe}} {{:ph:wl:pasted:20160425-174100.png?500&direct|Siedetemperatur in Abhängigkeit von Höhe}} VID Tee im Gebirge ++++ ++++ Verdampfungswärme| {{:ph:wl:pasted:20160423-181926.png?500&direct}} 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. {{:ph:wl:se6_036_3.jpg?200&direct|spez. Verdampfungswärme}} \\ \\ \\ // Spezifische Verdampfungswärmen einiger Substanzen // Die **spezifische Verdampfungswärme** von Wasser beträgt **2257 kJ/kg**. ++++ ++++ Kondensationswärme| 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). ++++ ++++ Siedeverzug| 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. ++++ ++++ BEM Siedeverzug kann gefährlich werden| 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. ++++ ++++ EX Geysire| {{:ph:wl:se6_036_3b.jpg?300&direct|}} \\ \\ \\ // Geysire zeigen eindrucksvoll die Wirkung von überhitztem Wasser (Siedeverzug) in der Natur. \\ \\ Das Foto zeigt den Geysir Old Faithful im Yellowstone-Park(USA). // {{:ph:wl:se6_036_3a.jpg?300&direct|}} \\ \\ \\ // In vulkanischen Gebieten kann Sickerwasser in tief reichenden Spalten weit über 100°C erreichen. Der Druck der darüber-liegenden Wassersäule kann lange Zeit das Sieden verhindern. Wenn schließlich doch Dampfblasen aufsteigen, reißen sie Wasser mit sich. Durch den verringerten Wasserdruck setzt Sieden ein: Ein Gemisch aus heißem Dampf und Wasser schießt als Fontäne aus dem Spaltensystem. // ++++ ---- ++++ F Wovon hängt die Siedetemperatur einer Flüssigkeit ab?| a) Vom äußeren Luftdruck\\ b) Vom Dampfdruck\\ c) Vom Volumen ++++ F Wie hoch ist die Siedetemperatur von Wasser auf dem 3789m hohen Großglockner und auf dem 5895m hohen Kilimandscharo? F Welche Probleme kann der niedrige Luftdruck in Höhen über 7 000 m verursachen? F Ist es sinnvoll, Teewasser im Wasserkocher lange sieden zu lassen? Wird es dadurch heißer? Wie viel Wasser könnte man mit der Verdampfungswärme von 1kg Wasser von 20°C auf 100°C erwärmen? F Warum verursacht Wasserdampf von 100°C schwerere Verbrühungen als Wasser von 100°C ? F Was versteht man unter Kondensatonswärme und wie hängt sie mit der Verdampfungswärme zusammen?