Bild

Siemens Stiftung

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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

Bild

Siemens Stiftung

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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

Bild

Siemens Stiftung

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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

Bild

Siemens Stiftung

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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

Bild

Siemens Stiftung

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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

Bild

Siemens Stiftung

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?


Dieses Material ist Teil einer Sammlung