Verfahrenstechnik für Dummies. Burkhard Lohrengel
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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.
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
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
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
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.
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.
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.
Siedepunktverschiebung