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Phasenübergänge

Phasenübergänge. Bernhard Piazzi Didaktik der Physik WS2006/07. Übersicht. Mögliche Phasenübergänge Phasendiagramm Kritischer Punkt Tripelpunkt Latente Wärme Verdampfungswärme Wasser. Voraussetzungen für Phasenübergang.

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Phasenübergänge

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Presentation Transcript

  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:

  10. Anwendung 3 Vorteile: hohes Lösungsvermögen (Flüssigkeit) niedrige Viskosität (Gas) Verflüchtigung ohne Rückstände • Herstellen von Quarzkristallen (gelöstes SiO2 in H2O) • Lebensmittelkontrollen (lösen von Fleisch in H2O) • Textilfärbung (Farbe im überkritischen Zustand) • Herstellung koffeinfreien Kaffees und Tees (CO2)

  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 = 0Veränderung einer Zustandsgröße → Ungleichgewicht der Phasen • Tripelpunkt sehr scharf → Kalibrierung von Thermometerngängige 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 Carnot‘scher Kreisprozess: Zustand : gesamter Dampf kondensiertmit Volumen A → B: isotherm: p = const und T = const bis allesverdampft ist B → C: adiabatisch: p und Tinfinitesimal verkleinert C → D: isotherm komprimiertDampf kondensiert D → A: p und Tinfinitesimal 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 H2O am Rotieren gehindert • Energie wird in die Aufbrechung dieser gesteckt.

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

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