Kondensation und Erstarrung

Kondensation und Erstarrung Übung

• Beschreibe die Vorgänge bei der Kondensation und dem Gefrieren.

  Tipps

  Wasser gefriert bei $0~^\circ\text{C}$ zu Eis.

  Wenn Wasserdampf auf eine kalte Oberfläche trifft, entstehen Wassertröpfchen auf der Oberfläche. Diesen Vorgang nennt man Kondensation.

  Lösung

  Wenn wir flüssiges Wasser erhitzen, wandelt es sich in Wasserdampf um. Wenn dieser Wasserdampf auf eine kühle Oberfläche trifft, kühlt er sich ab und wandelt sich wieder in kleine Wassertropfen um. Diesen Vorgang nennen wir Kondensation.

  Kondensation ist also der Vorgang, bei dem aus einem Gas eine Flüssigkeit wird.

  Wenn Wasser hingegen weiter abkühlt, verlieren die Moleküle des Wassers Energie. Dadurch bewegen sie sich immer langsamer, bis sie sich nicht mehr frei bewegen, sondern nur noch schwingen können. Die Moleküle bilden nun eine feste Struktur. Das Wasser gefriert zu festem Eis.

  Das Gefrieren ist also der Vorgang, bei dem aus einer Flüssigkeit eine feste Struktur wird.

• Gib jeweils den zutreffenden Gefrierpunkt an.

  Tipps

  Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit fest wird, nennt man den Gefrierpunkt.

  Wenn Benzin gefriert, sind Shampoo und Wasser schon lange gefroren. Parfüm ist aber noch flüssig.

  Lösung

  Der Gefrierpunkt von Wasser bildet den Anfang der Celsius-Skala, denn er liegt bei $0\ ^\circ \text{C}$. Kurz darunter gefriert Shampoo, nämlich bei $-3\ ^\circ \text{C}$. Benzin gefriert hingegen erst bei $-60\ ^\circ \text{C}$ und Parfüm noch unter $-80\ ^\circ \text{C}$.

• Bestimme die jeweilige Siedetemperatur.

  Tipps

  Wenn man sich in größerer Höhe befindet, dann nimmt der Luftdruck immer weiter ab. Dadurch sinkt auch der Siedepunkt des Wassers.

  Der Druck wird in Pascal ($\text{Pa}$) gemessen. Ein Hektopascal ($\text{hPa}$) entspricht 100 Pascal.

  Lösung

  Wann ein Stoff wie Wasser siedet, kondensiert, schmilzt, gefriert oder sublimiert, hängt nicht nur von seiner Temperatur, sondern auch sehr stark vom Druck ab. In diesem Phasendiagramm kannst du zum Beispiel sehen, wie sich Wasser bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen verhält.

  Dass der Siedepunkt von Wasser stark vom Druck abhängt, kann man auf Bergen tatsächlich gut beobachten. Durch den geringeren Luftdruck kocht das Wasser schon deutlich unter $100\,\text{°C}$, sodass das Essen viel länger braucht, bevor es gar ist.

  In einem Schnellkochtopf macht man sich hingegen zunutze, dass der Wasserdampf aus dem abgeschlossenen Topf nicht entweichen kann. So steigt der Druck beim Kochen bis auf $1800\,\text{hPa}$ an und der Siedepunkt erhöht sich auf bis zu $117\,\text{°C}$. Bei dieser Temperatur wird das Essen viel schneller gar.

• Bestimme die Phasenübergänge.

  Tipps

  Resublimieren ist der Umkehrvorgang zum Sublimieren.

  Wenn die Temperatur beispielsweise unter $0\,\text{°C}$ fällt und ein normaler Luftdruck von $1\,\text{bar}$ herrscht, dann gefriert flüssiges Wasser zunächst zu Eis.

  Lösung

  Ein Phasenübergang tritt auf, wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert, also beispielsweise, wenn flüssiges Wasser zu festem Eis gefriert. Welchen Phasenübergang ein Stoff macht, hängt von der Temperatur und dem Druck ab. In diesem Phasendiagramm kannst du zum Beispiel erkennen, welchen Aggregatzustand Wasser jeweils bei verschiedenen Bedingungen hat. Das Phasendiagramm sieht jedoch für jeden Stoff anders aus.

  Wenn die Temperatur beispielsweise unter $0\,\text{°C}$ fällt und ein normaler Luftdruck von $1\,\text{bar}$ herrscht, dann gefriert flüssiges Wasser zunächst zu Eis. Wenn nun der Luftdruck fällt, kann das Eis anschließend sublimieren, wobei es sich direkt in Wasserdampf umwandelt. Wenn hingegen Wasserdampf direkt zu Eis wird, dann resublimiert er.

• Beschreibe den Vorgang beim Abkühlen von Wasser

  Tipps

  Eis schmilzt bei $0\ ^\circ\text{C}$.

  Bei $100\ ^\circ\text{C}$ siedet flüssiges Wasser.

  Lösung

  Kühlt Wasser ab, so verlieren seine Moleküle Energie. Dadurch bewegen sie sich immer langsamer, bis sie sich nicht mehr frei bewegen, sondern nur noch schwingen können. Die Moleküle bilden dann bei $0\ ^\circ\text{C}$ eine feste Struktur. Das Wasser gefriert zu Eis. Der Gefrierpunkt von Wasser beträgt also $0\ ^\circ\text{C}$.

• Bestimme die Schmelzwärme.

  Tipps

  Berechne, wie viel Energie der Bunsenbrenner dem Wasser in der angegebenen Zeit jeweils zuführt.

  Beachte die Zeiteinheiten. Einige sind in Minuten gegeben, andere in Sekunden.

  Lösung

  Wenn ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen übergeht, verändern sich die Bindungen zwischen den Molekülen im Stoff. Dafür ist entweder eine gewisse Energie nötig, wie in dem Experiment von Professor Aydin, oder es wird Energie frei. Je nach dem Phasenübergang spricht man bei dieser Energie beispielsweise von der Schmelzwärme oder der Verdampfungswärme.

  Die Verdampfungswärme von Wasser beträgt $2257\,\text{Kilojoule pro Kilogramm}$ und seine Schmelzwärme beträgt $333\,\text{Kilojoule pro Kilogramm}$. Wie viel Wärmeenergie für den Phasenübergang nötig ist, hängt also auch von der Wassermenge ab. Bei dem obigen Ergebnis weißt du nun also auch, dass Professor Aydin wohl $1\,\text{kg}$ Wasser erhitzt hat.

  Mit den Werten von Professor Aydin kannst du die Verdampfungs- und Schmelzwärme wie folgt berechnen:

  • Schmelzwärme: $~185\ \frac{\text{kJ}}{\text{min}}\cdot 1,8\ \text{min}=333\ \text{kJ}$
  • Verdampfungswärme: $~185\ \frac{\text{kJ}}{\text{min}}\cdot 12,2\ \text{min}=2257\ \text{kJ}$