Kategorie:Druckabhängigkeit

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Untersuchtes Phänomen:

Warum braucht ein Frühsücksei in großen Höhen länger als zuhause? Wasser kocht mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel bereits bei Temperaturen deutlich unter 100 °C.

Naturwissenschaftliche Erklärung des Themas

Die kinetische Energie der Teilchen einer Flüssigkeit ist infolge von Zusammenstößen untereinander keineswegs gleich. Es wird immer einige Teilchen geben, die zu einem bestimmten Zeitpunkt genügend Energiebesitzen, um den Flüssigkeitsraum zu verlassen und in den darüberliegenden Gasraum überzugehen. Dieser Vorgang wird üblicherweise Verdunsten genannt. Gleichzeitig gibt es auch stets eine Anzahl von Gasteilchen, die über so wenig kinteische Energie verfügen, dass sie wieder in die Flüssigphase übergehen, so dass sich ein dynamisches Zweiphasengleichgewicht einstellt. Im Gleichgewichtszustand sind die Konzentrationen bzw. die Partialdrücke konstant. Je nach Druck- und Temperaturbedingungen kann das Gleichgewicht mehr auf Seiten der Flüssigkeit oder mehr auf der Seite des gasförmigen Aggregatzustandes liegen.

Flüssigkeiten verdampfen also auch unterhalb des Siedepunktes. Bei leder Temperatur stellt sich damit ein definierter Dampfdruck ein. (Unter Dampfdruck versteht man den Gasdruck in einem Zweiphasensystem aus Wasser/Wasserdampf.) Entspricht der Dampfdruck einer Flüssigkeit dem äußeren Umgebungsdruck, dann siedet (kocht) die Flüssigkeit. Bei Normaldruck ist dies bei Wasser also bei 100 °C der Fall. Verringert man den Druck oberhalb der Flüssigkeit, dann lässt sich die Siedetemperatur entsprechend erniedrigen, weil ein geringerer Dampfdruck ausreicht. Da der Atmosphärendruck mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt (siehe barometrische Höhenformel), nimmt mit steigender Höhe auch die Siedetemperatur des Wassers ab. Daher kocht Wasser in einer Höhe von ca. 3000 m (bei einem mittleren Luftdruck von 70,8 hPa) bereits bei 91 °C. Umgekehrt lässt sich die Siedetemperatur des Wassers erhöhen, wenn man den Umgebungsdruck erhöht (wie beispielsweise in Dampfdrucktöpfen).

Vorschläge für Experimente

  • Die Schüler bringen Wasser an verschiedenen Liftstationen (Höhe ü. NN ist angegeben)zum Sieden und erstellen daraufhin ein Temperatur -(Höhen-)Diagramm.
  • Die Schüler bringen ca.100 mL Wasser in einem Rundkolben zum Kochen, verschließen ihn luftdicht. Nachdem das Wasser nicht mehr siedet, wird der Rundkolben verschlossen in ein Wasser/Eis-Gemisch (oder Schnee) getaucht. Es ist ein erneutes Sieden trotz Temperaturerniedrigung zu beobachten. Die Erklärung liegt in der starken Druckabnahme begründet, wodurch die Siedetemperatur stark absinkt.

Fragenkatalog zur Druckabhängigkeit

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