Physikalische Chemie Praktikum. Reale Gase, Kritischer Punkt

Transkript

1 Hochschule Eden / Leer Physikalische Cheie Praktiku Reale Gase, Kritischer Punkt Vers.Nr. 1 April 015 Allgeeine Grundlagen Reale Gase, Kopressionsfaktor (Realgasfaktor), Van der Waals Gleichung, Kritischer Punkt, Virialgleichung. Grundlagen zu Versuch Bei hohe Druck und niedriger Teperatur weichen Gase beträchtlich vo idealen Verhalten ab. Wird ein solches reales Gas bei konstanter Teperatur verdichtet, ergibt sich eine Serie von P,V Daten, die eine Isothere definieren. Bei genügend niedriger Teperatur führt die Kopression eines gegebenen Gases zur Verflüssigung. Bei der graphischen Darstellung von P gegen V erhält an dann ein Druckplateau bei Dapfdruck der Flüssigkeit. Wenn an die Teperatur schrittweise erhöht, wird dieses Druckplateau ier schäler und bei Erreichen der "ischen Teperatur" T kr wird daraus ein Punkt. Dieser Punkt, der "ische Punkt" ist charakteristisch für ein jedes Gas und definiert die ischen Konstanten für dieses Gas, d.h. T, P und V,. Oberhalb T ist eine Verflüssigung unöglich, bei welche Druck auch ier. Ein Gas wird aber beträchtlich vo idealen Gasgesetz abweichen, wenn seine Teperatur und sein Druck zu nahe bei T und/oder P liegen. Van der Waals Gleichung Van der Waals führte als Erster zwei einfache Modifikationen in die Gasgleichung ein, die das Gasgesetz auf reale Gase erweitert. Er berücksichtigte die zwischenolekularen Kräfte durch die Einführung des "Binnendrucks" (a n /V oder a/v ) und das Voluen der Gasoleküle durch das Ausschlussvoluen n b: (1) a P + n V P + a V (V - n b) = n R T (V - b) = oder Eine einfachere For dieser Gleichung ergibt sich, wenn sie algebraisch nach P aufgelöst wird: a () P = - (V - b) V Eine weitere Uforung zeigt, dass die Gleichung dritter Ordnung in V ist: ( ) P V ( b P + ) V + a V a b = 0 Die Van der Waals Koeffizienten a und b werden epirisch bestit, u die beste Anpassung der Gleichung an ein spezielles Gas zu erhalten. Sie können auch aus den ischen Konstanten berechnet werden. Dazu benützt an die Tatsache, dass die ische Isothere a ischen Punkt einen horizontalen Wendepunkt besitzt. Diese Tatsache bedingt, dass sowohl die erste als 1

2 auch die zweite Ableitung der Van der Waals Gleichung a ischen Punkt Null sein üssen: dp a (4) = - + = 0 dv (V - b ) V d P (5) = d V R T (V - b ) 6 a - = 0 4 V Einsetzen von T, P und V, in die Gleichungen, 4 und 5 ergibt die Gleichungen 6, 7 und 8, die nach den zwei Unbekannten a und b aufgelöst werden können: kr a (6) P = (V, - b) V, kr a (7) 0 = + (V, - b ) V, R T kr 6 a (8) 0 = (V, - b ) V, 4 Da nur zwei Gleichungen zur Bestiung von zwei Unbekannten nötig sind, ist a und b überbestit. Da V, a wenigsten genau bekannt ist, wird nach P und T aufgelöst: (9a) 7 (R a = T 64 P ) (9b) R b = T 8 P Man sollte sich bei all diesen Überlegungen aber i Klaren darüber sein, dass die VdW Gleichung auf eine sehr groben Modell basiert und die Realität eines Gases nur sehr ungenau beschreibt.

3 Theore der korrespondierenden Zustände. Dieses Theore lässt sich folgenderaßen forulieren: Alle Gase it gleicher reduzierten Teperatur T r und reduzierte Druck P r nehen das gleiche reduzierte Voluen V r ein. Die reduzierten Variablen sind wie folgt definiert: T r = T/T P r = P/P V r = V /V, In der Praxis ist dieses Theore nicht universell gültig. Es ist jedoch gelungen, das Korrespondenzprinzip durch Einführung eines von Stoff zu Stoff veränderlichen Paraeters so zu erweitern, dass es in guter Näherung allgeein erfüllt ist. In Verbindung it den kubischen Zustandsgleichungen von Redlich Kwong Suave (RKS-Gleichung) und anderen, wird es in der erweiterten For i Cheieingenieurwesen praktisch angewandt. Realgasfaktor U it Gleichung den Druck eines Gases in eine gegebenen Zustand zu berechnen, üssen V, T und n für diesen Zustand bekannt sein. Bei realen Gasen kann an n aus Gleichung 10 erhalten, wenn der diensionslose Realgasfaktor (Kopressionsfaktor) Z. bekannt ist. P V P V (10) Z = = n R T Für ideale Gase ist Z = 1. Bei Erhöhen des Drucks nit Z noralerweise ab (auf Grund interolekularer Anziehungskräfte) bis zu eine Miniu von ungefähr 0, bei Kritischen Punkt. Danach nit Z wieder zu (auf Grund von Abstoßungskräften it kurzer Reichweite) und überschreitet 1 bei hohen Drücken. Für diesen Versuch kann der Wert von Z it genügender Genauigkeit unter Verwendung des Prinzips der korrespondierenden Zustände erhalten werden. Unter Verwendung dieses Prinzips lässt sich Z als Funktion von P r und T r darstellen, siehe Zeichnung. Wenn an P r und T r für einen gegebenen Zustand berechnet kann an durch Interpolation aus de Graphen (Abb.) auf der nächsten Seite Z bestien, it Gleichung 10 erhält an n. (Abb.1)

4 (Abb.) 4

5 Virialgleichung: U das Verhalten eines realen Gases zu beschreiben kann an an Stelle der kubischen Zustandsgleichungen auch die Virialgleichung verwenden: P V B(T) C(T) D(T) (11) Z = = V V V Die Teperaturfunktionen B(T), C(T),... bezeichnet an als.,.,... Virialkoeffizienten. Sie werden in der Praxis epirisch so an die Messdaten angepasst, dass sich ein guter Fit ergibt. Die höheren Tere, 4, etc... werden eist nicht benötigt. Ustellen der verbleibenden Gleichung ergibt eine For, die besser zu Kurvenfitten it der Methode der kleinsten Fehlerquadrate geeignet ist: P 1 B(T) C(T) (1) = 0 V V V π (1) B = b = d N L Die Virialgleichung lässt sich theoretisch begründen. Die Virialkoeffizienten bringen die zwischenolekularen Kräfte zu Ausdruck, wobei B(T) die Wechselwirkungen zwischen Molekülpaaren, C(T) die zwischen Dreiergruppen von Molekülen, erfasst. Wenn an das einfache Hartkugelodell verwendet, das der Van der Waals Gleichung zugrunde liegt, ergibt sich: In der Praxis sind B und b aber verschieden. Aufgabenstellung Von de vorgegeben Gas sind verschiedene Isotheren zu essen. Dabei soll die ische Isothere gefunden werden. Das ische Verhalten ist zu beobachten. Aus den so gewonnenen Daten sollen angegeben bzw. berechnet werden: 1. die ischen Zustandsgrößen P. und T.,. die Van der Waals Konstanten a und b.. Von allen Ihren geessenen P,V,T Datenpunkten, wählen sie den P,V,T Punkt aus, der sich a idealsten verhält, und bestien dait T r und P r, 4. interpolieren Sie den Realgasfaktor aus de Graphen (Seite 4 dieser Anleitung) für Z= f(t r,p r ) für den Datenpunkt von., heften Sie diesen bitte zu Protokoll und zeichnen die Interpolation farbig ein. 5. berechnen Sie n u.a. it den Daten aus. und 4., 6. berechnen Sie V für den Datenpunkt von., 7. it der Van der Waals Gleichung berechnen Sie den Druck für den Datenpunkt von. und vergleichen ihn it de geessenen Wert, 8. berechnen Sie it Ihren Daten den Virialkoeffizienten B (nehen Sie C, D,... zu null an) (Virialgleichung benutzen), 9. Zeichnen Sie alle Isotheren in ein PV-Diagra, 10. Vergleichen Sie die erhaltenen Werte soweit öglich it Literaturwerten. 5

6 Versuchsaufbau Das Gerät zur Messung des ischen Punktes besitzt als wesentliche Bestandteile eine transparente, voluenkalibrierte Glaskapillare und ein Druckerzeugungssyste it Manoeter. Die Kopressions- und Messkapillare besteht aus äußerst widerstandsfähige Spezialglas. Sie wurde einer Prüfung it Pa bei 60 C unterzogen. Der obere Betriebspunkt für das Gerät liegt bei ca Pa und 55 C.!!! Als Messarke dient die das Messvoluen begrenzende Quecksilbersäule! Unterer Meniskusrand! Die Druckkaer aus rostfreie Stahl ist it ca. 60 g Quecksilber gefüllt und bildet it der Messkapillare ein druckdichtes Syste. In der Druckkaer kann it eine Handrad über einen Spindelbetrieb ein Kolben bewegt werden. Die Drehung des Handrades i Uhrzeigersinn bewirkt einen Kolbenhub und dait eine Voluenverkleinerung. Die Einstellung des Voluens kann sehr feinfühlig erfolgen, ax. 16 Udrehungen für den gesaten Kolbenhub. Der Druck wird von eine großen Manoeter angezeigt. SICHERHEIT Druck: Sie werden bis zu eine Druck von 50 Bar in einer Glaskapillare arbeiten. Überschreiten Sie unter keinen Uständen Pa. Teperatur: Da eine Teperaturerhöhung den Druck über das Liit treiben kann, ändern Sie die Teperatureinstellung a Therostaten nie, wenn Quecksilber in der Kapillare ist. (Ausnahe: wenn Sie in der Nähe des ischen Punktes Änderungen von 0.1 C vornehen.) Überschreiten Sie unter keinen Uständen 55 C. Sonstiges: Der untere Anschlag des Handrades ist gut fühlbar und Sie dürfen auf keinen Fall versuchen it Gewalt zu überdrehen. Nach der Messung drehen Sie den Druckkolben zu unteren Anschlag zurück. Die Messkapillare darf keinen äußeren echanischen Belastungen ausgesetzt werden. Die beiden Ventile dienen zu Beschicken des Geräts it Gas. Drehen Sie auf keinen Fall daran. Versuchsdurchführung. Setzen Sie den Therostaten bei Rauteperatur (ca. 0 C- C) in Gang. Der obere Deckel des Teperierantels der Messkapillare ist nicht befestigt, achten Sie darauf, dass die Ströungsgeschwindigkeit des Wassers nicht zu hoch ist, da es sonst überlaufen kann. Erste Isothere: Wenn die Teperatur (± 0.1 C) stabil ist, bringen Sie das Quecksilber bis zur 4,0 l Marke. (Noralerweise liest an bei Quecksilbersäulen in Glasrohren a oberen Rand des Meniskus ab, hier ist ausdrücklich der untere Rand des Meniskus vor Hersteller vorgeschrieben). Notieren Sie Teperatur, 6

7 Druck und Voluen in C, Pa und l. Klopfen Sie leicht an das Manoeter u dessen Reibung zu überwinden. Wenn Druck und Voluen konstant sind, können Sie sicher sein, dass das therische Gleichgewicht erreicht ist. Wiederholen Sie die Druckessungen bei den folgenden Voluina (prüfen Sie ab und zu ob die Teperatur konstant geblieben ist): 4,0,5,0,5,0 1,5 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0, 0, l. Stellen Sie die Voluina ier so ein, das Sie das Quecksilber von unten an die jeweilige Marke heran drehen. Wenn Sie versehentlich über die jeweilige Voluen- Marke gedreht haben, senken Sie das Quecksilber wieder etwas ab und koen erneut von unten. Warten Sie ier bis das Gleichgewicht erreicht ist, bevor Sie Ihre Messdaten ablesen. (Klopfen a Manoeter nicht vergessen) Solange die Voluina noch groß sind, wird das sehr schnell gehen, bei den kleinen Voluina werden Sie länger warten üssen, da hier erst ein Teil des Gases Kondensieren uss. Stoppen Sie in jede Fall, wenn Sie Pa erreicht haben, auch wenn Ihre Messreihe noch nicht zu Ende ist. Falls Flüssigkeit auftritt, registrieren Sie das Voluen und den Druck, bei de das geschieht. Von da an registrieren Sie das Gesatvoluen von Gas + Flüssigkeit also wie zuvor auch weiter a Quecksilber ablesen. Wenn Sie alle Daten für diese Isothere geessen haben, drehen Sie das Handrad wieder zurück, so dass kein Quecksilber ehr zu sehen ist (bis V > 4 l). Weitere Isotheren: Wiederholen Sie die oberen Schritte bei 0 C, 40 C und 50 C. Ungefähr 10 Minuten sollten jeweils ausreichen, u die Teperatur zu stabilisieren. 7

8 Kritisches Verhalten und Kritische Isothere: Die folgende Tabelle gibt Ihnen Anhaltspunkte für die ischen Konstanten einiger Gase. Bei Vergleich Ihrer Daten it der Tabelle sollten Sie in der Lage sein, die Identität Ihres Gases festzustellen. GAS KRITISCHER DRUCK KRIT. TEMPERATUR (10 5 Pa) ( C) CO ~ 74 ~ 1 Ethan ~ 49 ~ Freon 1 ~ 8 ~ 9 Freon ~ 48 ~ 6 SF 6 ~ 8 ~ 45 (es handelt sich nur u Anhaltspunkte -> keine Literaturwerte) Kritischer Punkt Es soll der ische Punkt bestit und das Verhalten des Systes in seiner Nähe beobachten werden. Bringen Sie die Teperatur ca. ein halbes Grad unter die in der obigen Tabelle angegebene. Teperatur, stellen das Voluen auf die Mitte des Druckplateaus ein und warten Sie, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Dann erhöhen Sie die Therostateinstellung u 0.1 und beobachten sorgfältig den Flüssigkeitseniskus in der Kapillare während ehrerer Minuten. (Wenn es keine Änderung bis zu Erreichen des Gleichgewichts gegeben hat, erhöhen Sie die Teperatur ein weiteres Mal u 0.1 ). Notieren Sie Ihre Beobachtungen und versuchen Sie die ische Teperatur auf ein zehntel Grad genau zu bestien. Das ist der Punkt, an de gerade eben keine Phasengrenze ehr zu beobachten ist. Zur besseren Erkennbarkeit halten Sie ein weißes Papier it einigen diagonalen Linien hinter die Kapillare und beobachten. Kritische Isothere Belassen Sie die Einstellung des Therostaten auf der ischen Teperatur und gehen auf 4 l Voluen zurück und essen die koplette ische Isothere (s.o.). Danach drehen Sie das Handrad wieder zurück und stellen a Therostaten die Sollteperatur auf 0 C ein und schalten ab. 8