Verfahrenstechnik für Dummies. Burkhard Lohrengel

durch die Linien (Kurven)

       Dampfdrucklinie zwischen gasförmigem und flüssigem Zustand,

       Schmelzdrucklinie zwischen flüssigem und festem Zustand sowie

       Sublimationsdrucklinie zwischen gasförmigem und festem Zustand

      getrennt. Die drei Linien schneiden sich im für jeden Stoff charakteristischen Tripelpunkt: Gas, Flüssigkeit und Feststoff stehen hier miteinander im Gleichgewicht. Die Dampfdrucklinie endet im kritischen Punkt, oberhalb dessen keine klare Unterscheidung zwischen Gas und Flüssigkeit mehr möglich ist, da die Dichten sich einander annähern.

      

Anbei finden Sie einige Beispiele für den kritischen Punkt:

       Helium: 1,96 bar, –268 °C,

       Wasserstoff: 12,75 bar, –240 °C,

       Stickstoff: 33,34 bar, –147 °C,

       Sauerstoff: 49 bar, –119 °C,

       Kohlenstoffdioxid: 73,55 bar, 31 °C,

       Ammoniak: 116,7 bar, 132 °C,

       Wasser: 220,6 bar, 374 °C.

      Das Phasendiagramm gibt Ihnen Auskunft, welchen Aggregatzustand ein Stoff bei bekanntem Druck und bekannter Temperatur einnimmt. Außerdem können Sie ablesen, was passiert, wenn Sie Druck oder Temperatur ändern.

Die Phasenübergänge zwischen den drei Aggregatzuständen sind in Abbildung 2.3 gezeigt. Es gilt:

       Erstarren: Phasenübergang flüssig-fest,

       Schmelzen: Phasenübergang fest-flüssig,

       Verdampfen: Phasenübergang flüssig-gasförmig,

       Kondensieren: Phasenübergang gasförmig-flüssig,

       Sublimieren: Phasenübergang fest-gasförmig,

       Resublimieren: Phasenübergang gasförmig-fest.

Abbildung 2.3 Übergänge zwischen den drei Aggregatzuständen

Beispielhaft zeigt Abbildung 2.4 das p,T-Diagramm für Wasser. Der Tripelpunkt liegt bei T = 273,16 K, p = 0,061 · 10⁵ Pa. Hier stehen Eis, Wasser und Wasserdampf miteinander im Gleichgewicht. Der kritische Punkt, oberhalb dessen keine klare Unterscheidung zwischen Gas und Flüssigkeit mehr möglich ist, befindet sich bei T = 647,1 K, p = 220,6 · 10⁵ Pa, also bei verhältnismäßig hohen Werten. Sie wissen, dass Wasser bei einem Druck von 1 · 10⁵ Pa bei 373,15 K siedet. Dieser Punkt liegt genau auf der Dampfdrucklinie. Auf der Dampfdrucklinie liegen alle Siedepunkte des Wassers. Oder anders ausgedrückt: wenn Sie bei einem bestimmten Druck auf die Siedelinie gehen, können Sie die entsprechende Siedetemperatur ablesen.

      Die Anomalie des Wassers sorgt dafür, dass die Schmelzdrucklinie leicht nach links gekippt ist, was bei Stoffen ohne diese Anomalie nicht der Fall ist (sehen Sie sich hierzu Abbildung 2.2 an).

Abbildung 2.4 p,T-Diagramm für Wasser

      Ist Wasser nicht normal?

Was ist nun aber die Anomalie des Wassers? Ist Wasser nicht ein ganz normaler Stoff? Es ist doch aus dem täglichen Leben gar nicht wegzudenken. Und komisch ist Wasser doch auch nicht, oder? Wasser hat aber tatsächlich besondere Eigenschaften, die es von allen anderen Flüssigkeiten unterscheiden, insbesondere die folgende: Wasser hat bei 4 °C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte (und nicht bei 0 °C, wo Wasser zu Eis gefriert). Dieses nicht normale thermische Verhalten von Wasser wird in der Physik als Anomalie des Wassers bezeichnet (Abbildung 2.5). Die Dichteanomalie führt dazu, dass Wasser sich bei Temperaturen unter 4 °C ausdehnt. Eis hat daher eine geringere Dichte als Wasser. Irgendjemand muss sich dabei etwas gedacht haben, denn dadurch schwimmt Eis im Winter oben und versinkt nicht im Wasser, die Fische haben eine gute Überlebenschance und Sie können im Winter auf einem zugefrorenen See Schlittschuh laufen. Würde Wasser sich verhalten wie alle anderen Stoffe, wäre der Feststoff Eis schwerer als die Flüssigkeit Wasser und Sie müssten am Grund des Sees Schlittschuh laufen. So aber hat das 4 °C kalte Wasser die größte Dichte, ist am schwersten, befindet sich also immer am Grund eines Sees. Darum befinden sich Fische im Winter am Seegrund: Hier ist es am wärmsten, es lässt sich relativ gut überwintern.

Abbildung 2.5 Anomalie des Wassers

Teilchenmodell zur Beschreibung der Aggregatzustände

Die verschiedenen Aggregatzustände lassen sich gut mit dem Teilchenmodell erklären, welches Sie in den nächsten Abschnitten kennenlernen. Beim Teilchenmodell wird davon ausgegangen, dass ein Stoff aus kleinen, kugelförmigen Teilchen besteht. Diese Teilchen können Atome, Moleküle oder Ionen sein.

      Gasförmiger Zustand

Abbildung 2.6 zeigt das Teilchenmodell eines Gases. Bei Stoffen im gasförmigem Zustand sind die Teilchen in schneller Bewegung, sie führen eine ungeordnete Brownsche Molekularbewegung aus.

Abbildung 2.6 Teilchenmodell eines Gases

      In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der Teilchen gegen die Wände zum Druck, den das Gas ausübt. Wenn Sie ein Gas erwärmen, dehnt es sich aus. Wenn Sie das Gas aber in einem konstanten Volumen »einsperren«, zum Beispiel einer Plastikflasche, steigt bei Erwärmung der Druck in der Flasche, da sich das Gas nicht ausdehnen kann. Die Gasteilchen bewegen sich bei Temperaturzunahme immer schneller und stoßen somit häufiger und mit mehr Energie gegen die Wände. Der Druck in der Flasche steigt an. Diesen Druck können Sie mit entsprechenden Druckmessgeräten messen.

Bei Gasen entfällt die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt immer den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus. Die Bewegungsenergie der Teilchen ist so hoch, dass sie nicht mehr zusammenhalten, der gasförmige Stoff verteilt sich gleichmäßig im gesamten zur Verfügung stehenden Raum. Das ist auch gut so. Stellen Sie sich vor, die Luft würde lediglich die Hälfte Ihres Wohnzimmers ausfüllen. Dann müssten Sie immer den Kopf einziehen, wenn Sie atmen wollten. Im Schlafzimmer, wenn Sie im Bett liegen, wäre das hingegen kein so großes Problem.

      Die Teilchen sind so weit voneinander entfernt, dass sie nur hin und wieder aneinanderstoßen, im Vergleich zur flüssigen Phase also auf großer Distanz bleiben. Aufgrund ihrer Bewegung sind die Teichen völlig ungeordnet. Gase lassen sich komprimieren, der Abstand zwischen den einzelnen Teilchen lässt sich durch Druckerhöhung reduzieren. Dadurch nähern