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Phasendiagramm von Wasser

Diagramm:p-T-Diagramm des reinen Wassers. Die Linien geben an, bei welcher Temperatur und welchem Druck die Phasen fest, flüssig und gasförmig miteinander im Gleichgewicht stehen. Nur am Tripelpunkt sind alle drei Phasen im Gleichgewicht, sonst sind es maximal zwei.Das Diagramm enthält neben den Gleichgewichtskurven (Schmelzdruckkurve, Sublimationskurve, Dampfdruckkurve) auch die Druck- und Temperaturangaben für Schmelz-, Siede-, Tripel- und kritischen Punkt.Achtung: Die Achsen des Diagramms sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.Hinweise und Ideen:In diesem Diagramm spiegelt sich auch die Dichte-Anomalie des Wassers (im festen Zustand niedrigere Dichte als im flüssigen Zustand) wider: Die Schmelzdruckkurve weist eine negative Steigung auf. Grund für die Dichte-Anomalie sind die Wasserstoffbrückenbindungen.


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Dampfdruckkurve und Phasendiagramm von Wasser

Diagramme:Die Dampfdruckkurven (p-V-Diagramm) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm) von Wasser werden gegenübergestellt.Erhitzt man Wasser bei atmosphärischem Normaldruck auf 100 °C, so entsteht Dampf. Wie wirkt sich aber eine Erhöhung oder Absenkung des Drucks auf die Verdampfungstemperatur aus?Die Antwort geben die Dampfdruckkurve (T-Kurven im p-V-Diagramm links) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm rechts) des Wassers. Dampfdruck nennt man den Druck, bei dem Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht miteinander stehen, d. h., es verdampfen ebenso viele Moleküle wie auch wieder kondensieren. Oberhalb der kritischen Temperatur (Zahlenwerte sind angegeben) ist das Wasser, egal bei welchem Druck, immer gasförmig und es kann als reales Gas behandelt werden (Van-der-Waals-Gleichung, Formel ist angegeben). Unterhalb der kritischen Temperatur gibt es zu jeder Temperatur einen Dampfdruck, für den ein Zweiphasengebiet (flüssig und gasförmig) vorliegt. Im Bereich der flüssigen Phase kann man an der steilen Steigung der Kurven erkennen, das flüssige Substanzen kaum kompressibel sind. Die kritische Temperatur darf nicht verwechselt werden mit der Temperatur des Tripelpunkts (siehe p-T-Diagramm). Er kennzeichnet die Werte von Temperatur und Druck, bei der alle Phasen (fest - flüssig - gasförmig) gleichzeitig vorliegen. Hinweise und Ideen:Bei welcher Temperatur kocht Wasser auf dem Mount Everest? Sog. “Dampfdrucktabellen” geben Aufschluss darüber. Interessant wäre auch der Hinweis auf die Phasenwandlungspunkte als Haltepunkte der Temperatur. Beim Phasenübergang von flüssig nach gasförmig führt die zugeführte Energie zunächst nicht zur Temperaturerhöhung. Ebenso beim Schmelzen von Eis. Erst wenn alles Wasser verdampft bzw. geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter.


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Prinzip eines Tonkühlers

Schemagrafik:Der Verdunstungsvorgang an der Oberfläche eines Keramikkühlers wird schematisch gezeigt.Der Keramikkühler aus gebranntem Ton wurde in kaltes Wasser eingelegt und dann wieder herausgenommen. Die Poren der Keramik haben sich voll Wasser gesogen. Wird nun eine kalte Getränkeflasche eingestellt, bleibt diese im Keramikkühler auch bei warmer Umgebungstemperatur relativ lange kalt. Durch die Verdunstung des Wassers aus den Poren des Keramikkühlers wird der Luft im Innern des Tongefäßes ständig Wärme entzogen (Verdampfungswärme und ein wenig Adsorptionswärme). Die Luft im Inneren des Tongefäßes bleibt dadurch kalt und damit auch die eingestellte Flasche.


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Geometrie der Wasserstoffbrücken bei H2O

Grafik:Geometrische Anordnung von Wassermolekülen bei der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen.Abbildung der verschiedenen Möglichkeiten für Wasserstoffbrückenbindungen im Wassermolekül.Hinweise und Ideen:Heranführung der Schülerinnen und Schüler an das Thema “Chemische Verbindungen, Wasserstoffbrückenbindung”, klassischerweise am Beispiel des Wassermoleküls.


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Temperaturabhängigkeit der Dichte

Diagramm: Dichte-Temperatur-Verlauf bei Wasser im Vergleich zu Benzol; Gegenüberstellung veranschaulicht die Dichteanomalie des Wassers.Bei den meisten Stoffen gilt als kontinuierlicher Verlauf: je höher die Temperatur, desto niedriger die Dichte der Substanz. Bei Phasenübergängen (Gas -> Flüssigkeit -> Feststoff) ändert sich die Dichte um diesen Temperaturbereich drastisch. Bei Wasser tritt jedoch ein Dichtesprung um den Gefrierpunkt auf. Die Dichte nimmt nicht zu, sondern entgegen den Erwartungen ab. Im Gegensatz dazu zeigt die Grafik den Dichte-Temperatur-Verlauf bei “normalen” Stoffen (hier Benzol). Hinweise und Ideen:Woher könnte dieses Verhalten kommen?Welche praktische Bedeutung hat diese Anomalie des Wassers?


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Anregungsenergie eines Wassermoleküls

Diagramm:Wasser kann in Form der Schwingungen bzw. der Bewegung seiner Moleküle Wärmeenergie aufnehmen. Dieser Energieinhalt hängt vom Aggregatzustand ab: Wasserdampf enthält z. B. mehr Energie als flüssiges Wasser.Die uns umgebende Materie nimmt je nach Druck und Temperatur (in Kelvin) verschiedene Aggregatzustände an: fest, flüssig oder gasförmig. Das gilt auch für Wasser: Beim Übergang von fest nach flüssig bzw. flüssig nach gasförmig nimmt die Energie der Wassermoleküle zu, ohne dass dabei die Temperatur ansteigt. Dies entspricht den beiden Plateaus im Diagramm. Die “Breiten” der Plateaus liegen bei ca. 6 kJ/mol (Schmelzwärme) und ca. 40,7 kJ/mol (Verdampfungswärme).Hinweise und Ideen:Eignet sich gut zur Erläuterung des Themas Phasengleichgewicht.


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Thermische Energie

Diagramm:Formeln für die thermische Energie von Gasen sowie die Temperaturabhängigkeit der zugehörigen molaren Wärmekapazität bei konstantem Volumen.Die thermische oder innere Energie eines Stoffs ist die Summe der Bewegungsenergien seiner Atome bzw. Moleküle. Diese Energie ist als Temperatur messbar. Führt man dem Stoff Wärme zu, steigt die Teilchengeschwindigkeit und damit die Temperatur. Bei molekularen Gasen kann die Wärmezufuhr zusätzlich zur translatorischen Bewegung die Anregung anderer Bewegungsformen (Rotation und Schwingung) hervorrufen. Dies drückt sich im stufenförmigen Verlauf der molaren Wärmekapazität aus (Diagramm rechts). Die molare Wärmekapazität eines Stoffs gibt an, wie viel Energie man zuführen muss, um 1 mol eines Stoffs um 1 °C zu erhöhen. Für gasförmige Stoffe gilt: Falls die Gasteilchen sich nur linear bewegen (Translation), ist die Wärmemenge, die zugeführt werden muss, um das Gas um 1 °C zu erhöhen, konstant 3R/2. Im Fall molekularer Gase fangen die Moleküle ab einer bestimmten Temperatur an zu rotieren. In diesem Bereich (linearer Anstieg im Diagramm) muss man mehr Energie zuführen, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, da die Energie nicht nur in die translatorische Bewegung geht, sondern auch in die Anregung der Rotation. Sind alle Teilchen in Rotation versetzt, so ist die Energie, die zugeführt werden muss, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, wieder konstant 5R/2. Der Anstieg beim Übergang von Rotation nach Schwingung lässt sich analog erklären. Hinweise und Ideen:Die Übersichtsgrafik fasst das Thema Wärmeenergie am Beispiel Gase zusammen. Ausführliche Erläuterungen und Erläuterungen zur Wärme in Feststoffen findet man im Leitfaden “Was ist Energie?”.

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Sonnenkollektoren

Foto: Sonnenkollektoren auf einem Hausdach.Hinweise und Ideen:Als Beispiel für die Umwandlung von Strahlungsenergie in thermische Energie.


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Energieträger Erdwärme

Übersichtsgrafik: Gegenüberstellung tiefer und oberflächennaher Geothermie anhand ausgewählter Beispiele.Erdwärme oder auch Geothermie bezeichnet das thermische Energiepotenzial im Erdreich. Je nach Tiefe der Erdschichten entsteht die Erdwärme ausschließlich durch Restwärme aus der Erdentstehungszeit und durch radioaktive Zerfallsprozesse (tiefe Geothermie) oder aus der Sonneneinstrahlung (oberflächennahe Geothermie). Die tiefe Geothermie tritt an die Erdoberfläche, z. B. in Form von Thermalquellen und Vulkanen. Bei der oberflächennahen Geothermie zeigt sich ab ca. 15 m Erdtiefe eine jahreszeitenunabhängige Durchschnittstemperatur von 8 bis 12 °C, die sich fast ausschließlich aus der Sonneneinstrahlung speist. Erst ab ca. 100 m Tiefe überwiegt der Wärmezufluss aus dem Erdinneren. Sowohl die oberflächennahe als auch die tiefe Geothermie können mit unterschiedlichen Technologien zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.Übrigens: Neuschnee im Frühjahr schmilzt auf warmer Erde sofort, wenn er direkt mit dieser in Berührung kommt. Fällt der Schnee jedoch auf Gras, bleibt er länger liegen, da das Gras als Isolationsschicht wirkt.Hinweise und Ideen:Das Medium kann einen Überblick über den Energieträger Erdwärme geben. Eine Verknüpfung mit Erdkunde liegt nahe. Mögliche Fragestellung: Welche Regionen bieten sich für die Nutzung tiefer und/oder oberflächennaher Geothermie an (z. B. Vorkommen heißer Thermalquellen in Island)? Ausführliche Informationen findet man im Leitfaden “Regenerative Energien” auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.


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Die Sonne - unsere Hauptenergiequelle

Grafik, beschriftet:Ein Querschnitt durch die Sonne zeigt die Temperatur- und Dichteprofile in den einzelnen “Sphären”. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren.Die Strahlungsenergie der Sonne ist der Motor für die lebenswichtigen Prozesse auf der Erdoberfläche. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren und diffundiert nach etwa 10 Mio. Jahren an die Sonnenoberfläche (Photosphäre), die sie als Strahlung an die Erde abgibt. Die Strahlungsenergie, die letztlich auf der Erde ankommt, ist daher uralt. Das Temperaturprofil durch den Sonnenquerschnitt zeigt Temperaturabnahme vom Kern bis zur Photosphäre und Temperaturzunahme von der Photosphäre zur Korona.Hinweis: Die “Schlangenlinien” im Bild symbolisieren die auftretende Strahlung und deren Wellenlänge.Die Strahlung, die auf die Erde trifft, geht von der Photosphäre aus.Hinweise und Ideen:Unter welchen Gesichtspunkten ist die Sonne eine unerschöpfliche Energiequelle? Welche Erklärung gibt es dafür, dass die Temperatur von der Photosphäre zur Korona hin wieder ansteigt? Übrigens: Der Mechanismus der Aufheizung in der Chromosphäre ist weitgehend ungeklärt!


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