Verfahrenstechnik für Dummies. Burkhard Lohrengel

5 richtig? Sie sehen, die eindeutige Beschreibung von Feststoffpartikeln gestaltet sich sehr schwierig. Diese Problematik wird daher ausführlich in Kapitel 6 beschrieben.

Phasenübergänge

In der Verfahrenstechnik sind Phasenübergänge von besonderer Bedeutung.

      

Bei einem Kraftwerk wird Wasser verdampft. Der Dampf treibt die Dampfturbine an, diese den Generator, der den Strom erzeugt. Auch im täglichen Leben begegnen wir dem Phänomen der Aggregatzustandsänderung. Wenn Sie ein Stück Fleisch braten, geben Sie feste Butter in die Pfanne, die durch Wärmezufuhr schnell flüssig wird. Schokolade schmilzt in der Sonne. Kupferrohre können durch Löten verbunden werden. Hierzu erhitzen Sie das Lötzinn, bis es flüssig wird. Ist es wieder fest, sind die Rohre formschlüssig verbunden.

      Phasenübergänge bei Wasser

Besonders gut lassen sich Phasenübergänge am Beispiel des Wassers erklären. In Abbildung 2.17 sind die Phasenübergänge

       Schmelzen,

       Erstarren,

       Verdampfen,

       Kondensieren,

       Sublimation und

       Resublimation

      gezeigt.

Abbildung 2.17 Phasenübergänge am Beispiel von Wasser

Bei Umgebungsdruck (1 bar) erstarrt Wasser bei 0 °C, es bildet sich Eis. Dieses schmilzt bei genau dieser Temperatur. Genauso verhält es sich beim Verdampfen von Wasser. Bei 100 °C wird aus Wasser Wasserdampf. Beim Umkehrvorgang kondensiert Wasserdampf ebenfalls bei 100 °C zu Wasser. Bei Phasenübergängen muss Wärme zugeführt werden (Verdampfen und Schmelzen) oder es wird Wärme frei (Erstarren und Kondensieren).

In Abbildung 2.18 ist die Zustandsänderung von Wasser bei Wärmezufuhr gezeigt. Der Startpunkt liegt beispielhaft bei –50 °C. Jetzt führen Sie dem Eis eine bestimmte Wärmemenge Q (Einheit kJ/kg) zu. Dadurch erwärmt sich der Feststoff Eis. Eis besitzt eine spezifische Wärmekapazität von

Abbildung 2.18 Zustandsänderung von Wasser bei Wärmezufuhr

      

Die spezifische Wärmekapazität ist ein Stoffwert und gibt an, wieviel Energie in kJ einem kg des betrachteten Stoffs (hier Eis) zugeführt werden muss, um eine Temperaturerhöhung um 1 K zu erreichen.

      Um 1 kg Eis von –50 ^°C auf 0 ^°C zu erwärmen, sind daher 105 kJ (50 K · 2,1 kJ/K) erforderlich.

      Wird durch Wärmezufuhr eine Temperatur von 0 °C erreicht, beginnt Eis zu schmelzen. Für das Schmelzen des Eises ist Energie erforderlich, die Schmelzwärme. Diese beträgt beim Phasenübergang Eis (Feststoff) zu Wasser (Flüssigkeit) 333 kJ/kg. Jedem kg Eis müssen Sie 333 kJ an Energie zuführen, damit es schmilzt. Erstarrt Wasser zu Eis, wird genau diese Wärmemenge frei. Durch weitere Energiezufuhr wird das Wasser von 0 °C auf 100 °C erwärmt. Zum Erwärmen von Wasser ist viel Energie erforderlich, da Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität von aufweist. Dadurch kann Wasser sehr viel Wärme aufnehmen, ohne sich merklich zu erwärmen.

Bedingt durch seine hohe Wärmekapazität eignet sich Wasser sehr gut als Kühlmittel in Wärmeaustauschern. Morgens beim Frühstück haben Sie dafür das Problem, das Sie dem Wasser sehr viel Energie zuführen müssen, damit es kocht und Sie Ihren Tee oder Kaffee aufbrühen können. Schalten Sie Ihren Wasserkocher ein und beobachten Sie Ihren Stromzähler! Sie werden sehen, wie schnell der sich dann dreht.

      Ab 100 °C beginnt Wasser zu verdampfen. Hierzu ist die Verdampfungswärme von 2256 kJ/kg erforderlich. Sie merken, Wasser lässt sich nur mit großem Energieaufwand verdampfen. Ist der letzte Wassertropfen verdampft, wird der Dampf bei weiterer Energiezufuhr immer heißer. Für Dampf beträgt die spezifische Wärmekapazität diese liegt also in einer ähnlichen Größenordnung wie beim Eis.

      Sieden

      Der Begriff des Siedens ist Ihnen sicher geläufig. Sie wissen, wann Wasser siedet, obwohl hier landläufig von »kochen« gesprochen wird. Kochen ist zwar grammatikalisch richtig, physikalisch aber falsch. Kochen tut der Koch (oder die Köchin, die sind aber zumindest im TV seltsamerweise in der Unterzahl), er kocht Speisen, und zwar möglichst so, dass sie Ihnen schmecken. Wenn Sie eine Flüssigkeit aber so weit erhitzen, dass sich Dampfblasen bilden, sollten Sie das als Verfahrenstechniker als Sieden bezeichnen.

      Sieden von Flüssigkeiten

      Das Sieden von Flüssigkeiten ist dadurch gekennzeichnet, dass Dampfblasen aus dem Inneren der Flüssigkeit aufsteigen. Diese können die Flüssigkeit nur verlassen, wenn der Dampfdruck in ihnen mindestens so groß ist wie der von außen wirkende Druck.

      

Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck mindestens gleich dem Umgebungsdruck ist.

      Siedepunkt

      Der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der die Flüssigkeit zu sieden beginnt. Der Siedepunkt ist von der Flüssigkeit abhängig, die Sie zum Sieden bringen wollen.

      

Für Umgebungsdruck gelten folgende Siedepunkte:

       Helium: –269 °C,

       Stickstoff: –196 °C,

       Sauerstoff: –183 °C,

       Methan: –162 °C,

       Chlor: –34 °C,

       Methanol: 64,7 °C,

       Ethanol: 78,3 °C,

       Wasser: 100 °C,

       Schwefelsäure: 290 °C,

       Schwefel: 445 °C,

       Aluminium: 2470 °C.

      

Sie sehen, dass Ethanol und Wasser unterschiedliche Siedepunkte haben. Dies können Sie ausnutzen, um reinen Alkohol zu erzeugen. Sie müssen das Wasser-Alkohol-Gemisch nur auf eine Temperatur zwischen 78 °C und 100 °C erhitzen, damit der Alkohol verdampft, das Wasser dagegen nicht.

      Siedepunktverschiebung