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Phasenübergänge Bernhard Piazzi Didaktik der Physik WS2006/07.

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Präsentation zum Thema: "Phasenübergänge Bernhard Piazzi Didaktik der Physik WS2006/07."—  Präsentation transkript:

1 Phasenübergänge Bernhard Piazzi Didaktik der Physik WS2006/07

2 Übersicht Mögliche Phasenübergänge Phasendiagramm Kritischer Punkt Tripelpunkt Latente Wärme Verdampfungswärme Wasser

3 Voraussetzungen für Phasenübergang Phasenübergänge sind von Druck und Temperatur abhängig nur bei bestimmtem Paar (p,T) ist Übergang möglich. Zusätzlich wird Energie freigesetzt oder muss investiert werden.

4 Mögliche Phasenübergänge

5 Beispiele aus dem Alltag Schmelzen: Eis aus Kühlschrank, wird flüssig (Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur) Sublimieren: feuchte Wäsche bei Frost aufhängen; trocknet obwohl gefroren (Eis geht direkt in den gasförmigen Zustand über) Erstarren: abkühlen von Wasser; einzelne Eiskristalle werden immer größer, Wasser wird zu kompakten Masse aus Eis

6 Verdampfen: erhitzen von Wasser bis zu Siedetemperatur; Wasser verdampft, es sprudelt wegen Dampfblasen Resublimieren: Windschutzscheibe im Winter; Luftfeuchtigkeit aus der Luft gefriert an der Scheibe Kondensieren: durch Abkühlen entstehen aus gasförmigem Wasserdampf kleine Wassertröpfchen

7 Phasendiagramm Druck wird gegen die Temperatur aufgetragen. Bei den Grenzen treten Phasenübergänge auf. Sublimation und Verdampfen kann auch abseits dieser Grenzen auftreten, man nennt es dann Verdunsten.

8 Kritischer Punkt Charakterisierung: Gas und Flüssigkeit nicht mehr unterscheidbar überkritisches Fluid (hohe Temperatur hohe Energie Gas; hoher Druck geringer Abstand Flüssigkeit)

9 Weitere Eigenschaften Verdampfungswärme verschwindet Opaleszenz (ständiger Wechsel zwischen Flüssigkeit u. Gas – Schlierenbildung) Bei Gas nicht mehr verflüssigbar Beispiele: StoffKrit. Temp. (K)Krit. Druck (MPa)Krit. Dichte (kg/m³) Wasserstoff33,31, Stickstoff126,13, Luft1333,95 Wasser647,322,12317

10 Anwendung 3 Vorteile: hohes Lösungsvermögen (Flüssigkeit) niedrige Viskosität (Gas) Verflüchtigung ohne Rückstände Herstellen von Quarzkristallen (gelöstes SiO 2 in H 2 O) Lebensmittelkontrollen (lösen von Fleisch in H 2 O) Textilfärbung (Farbe im überkritischen Zustand) Herstellung koffeinfreien Kaffees und Tees (CO 2 )

11 Tripelpunkt auch Dreiphasenpunkt: die drei Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig kommen gleichzeitig vor

12 Wasser: Temp. des Gefrierpunktes bei Normaldruck (1013,25 mbar) nahezu gleich der Temperatur des Tripelpunkts (0,01 °C) Gibbsches Gesetz: f = 3 – P (für Reinstoffe) Freiheitsgrad f des Systems (mit P = 3): f = 0 Veränderung einer Zustandsgröße Ungleichgewicht der Phasen Tripelpunkt sehr scharf Kalibrierung von Thermometern gängige Tripelpunkte: Quecksilber: 234,31560 K (38,83440 °C) Wasser: 273,16000 K (0,01000 °C)

13 Latente Wärme Wärme die aufgenommen/abgegeben wird, wenn Stoffprobe von einem in einen anderen Aggregatzustand übergeht Aufnahme/Abgabe dieser Wärme hat keine Temperaturänderung zur Folge Verdampfungswärme (=Kondensationswärme) Schmelzwärme Kristallisationswärme

14 Dampfdruck Gefäß, teilweise mit Flüssigkeit gefüllt: Teil der Flüssigkeit verdampft, im Freiraum bildet sich Dampf mit Druck. Konstante Temperatur Sättigungsdruck, Zahl der verdampfenden Moleküle (E > Oberflächenenergie) gleich Zahl der kondensierenden Moleküle (Treffen auf Flüssigkeitsoberfläche) Höhere Temperatur mehr Moleküle besitzen Mindestenergie Dampfdruck steigt

15 Herleitung der Verdampfungswärme Carnotscher Kreisprozess: Zustand : gesamter Dampf kondensiert mit Volumen A B: isotherm: p = const und T = const bis alles verdampft ist B C: adiabatisch: p und T infinitesimal verkleinert C D: isotherm komprimiert Dampf kondensiert D A: p und T infinitesimal erhöht

16 Verdampfungswärme Clausius-Clapeyron:

17 Wasser Multimere: Flüssiger Zustand: Wasser geht Molekülbindungen ein, die energetisch ideal sind Abstände zwischen Molekülen viel kleiner als bei kristalliner Bindung

18 Dimere: Trimere:

19 Anomalie des Wassers 1. Effekt: mit T steigt die kinetische Energie Abstand zwischen den Molekülen steigt 2. Effekt: T steigt platzverschwenderische Wasserstoffbrückenbindungen brechen auseinander 0°C < T < 4°C: 2. Effekt stärker Dichte 4° < T < 100°C: 1. Effekt stärker Dichte

20 T = 100°C Verdampfen von Wasser: Energiezufuhr Temperaturerhöhung bis 100°C kinetische Energie der Translation steckt schon im siedenden Wasser (muss nicht mehr aufgebracht werden) Durch die Wasserstoff-Brückenbindung ist das H 2 O am Rotieren gehindert Energie wird in die Aufbrechung dieser gesteckt.

21 Wasser Phasendiagramm von Wasser Externer Druck Eis schmilzt. z.B: Eislaufen, Schneiden eines Eisblocks mit einem Draht


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