B06A DAMPFDRUCK VON WASSER B06A

Transkript

1 B06A DAMPFDRUCK VON WASSER B06A 1. ZIELE Wir aten euchtere Lut aus als ein. Müssen wir daür Enerie auwenden? Waru werden die Kartoeln in eine Dapdrucktop schneller ar? Was passiert, wenn Wasser verdapt? In diese Versuch werden Sie den Dapdruck und die Verdapunswäre von Wasser bestien. Stichpunkte ür die Vorbereitun: Ideales Gas, Zustandsrößen, alleeine Gasleichun, Zustandsänderunen, reale Gase, Phasenuwandlun. Die schnellsten Moleküle können entweichen. Das Wasser wird kälter. Der Dapdruck entsteht durch die therische Beweun der Moleküle. 2. GRUNDLAGEN In eine oenen Geäß verdunstet das Wasser nur allählich. Die ittlere Geschwindikeit der eisten Wasseroleküle reicht nicht aus, die anziehende Wirkun der Molekularkräte zu überwinden. Die schnellsten Wasseroleküle schaen es jedoch. Sie bilden ein Gas über de Wasser, den Wasserdap. Er diundiert lansa in den Rau oder wird weeblasen. Was eschieht in eine eschlossenen Geäß, in de sich über de Wasser zunächst ein Vakuu beindet? Die schnellsten Wasseroleküle werden wieder das Wasser verlassen, ein Bruchteil von ihnen wird aber i Lau der Zeit auch in das Wasser zurückkehren. Es bildet sich schließlich ein dynaisches Gleichewicht aus, bei de i Mittel enauso viele Wasseroleküle die Flüssikeit verlassen wie zurückkehren. Den it der Flüssikeit i Gleichewicht stehenden Dap bezeichnet an als esättiten Dap. Der Druck, der i esättiten Dap herrscht, ist der iunsdapdruck. Flüssikeiten sieden, wenn ihr Dapdruck leich de äußeren Lutdruck ist.. WOVON HÄNGT DER SÄTTIGUNGSDAMPFDRUCK AB? Erhöht an die Teperatur, so werden ehr Moleküle in der Lae sein, das Wasser zu verlassen. Ein neues Gleichewicht eribt sich erst wieder, wenn die Dapdichte so weit anestieen ist, bis wieder leich viel Moleküle kondensieren wie verdapen. Die Dichte des Dapes und dait auch ihr Druck nehen daher it steiender Teperatur zu. Verrößert an das Voluen ür den Dap bei leichbleibender Teperatur, so nit die Dichte des Dapes zunächst ab. Dann aber werden ehr Moleküle die Flüssikeit verlassen als zurückkehren, und zwar solane, bis der ursprünliche Zustand ür Druck und Dichte wieder erreicht ist. Verrinert an das Voluen, so.... Dieses Verhalten kann an i pv-diara in der Abbildun links verolen. Der Druck des esättiten Dapes ist eine Parallele zur V- Achse, er hänt nicht vo Voluen ab. An der rechten Grenze ist alles Wasser verdapt, an der linken aller Dap kondensiert. Isotheren in eine Wassertop Der Druck des esättiten Dapes steit it zunehender Teperatur; er ist aber unabhäni vo Voluen Physikalisches Anänerpraktiku Universität Hannover

2 B06A DAMPFDRUCK VON WASSER B06A Fraen: Welche Teperatur hat der Dap über der Flüssikeit? Waru ist der Druck eines idealen Gases abhäni vo Voluen, der eines Dapes jedoch nicht? Was ändert sich, wenn in de eschlossenen Geäß über de Wasser auch noch Lut vorhanden ist? 4. VERSUCHSAUFBAU, MESSVERFAHREN So essen Sie die Abhänikeit des iunsdapdrucks von der Teperatur: In de eschlossenen linken Schenkel des Messanoeters beindet sich etwas Wasser über de Quecksilber. Zu Versuchsbeinn ist das Vakuueäß noch it Lut eüllt, in ih herrscht der leiche Druck wie i Labor (Hahn Lutzuuhr oen). Der Druck au den rechten Schenkel des Messanoeters ist daher wesentlich rößer als der Wasserdapdruck au den linken. Die Quecksilbersäule wird daher vor Versuchsbeinn in den linken Schenkel hochedrückt, Wasser und Wasserdap sind bei Zierteperatur kau zu sehen. Wird das Vakuueäß ausepupt (Hahn Vakuupupe oen, Hahn Lutzuuhr eschlossen), so erniedrit sich der Druck au den rechten Schenkel des Messanoeters. Die Quecksilbersäule steit rechts hoch. Sind die beiden Quecksilberkuppen au leicher Höhe, so herrscht au beiden Seiten der leiche Druck. Bei diese Gleichstand werden der Druck i Vakuueäß (= iunsdapdruck) und die Teperatur des Wassers (=Dapteperatur) eessen. Messunen Nehen Sie indestens 12 Messwerte ölichst leichäßi verteilt bis 85 C au. Folen Sie der Anleitun a Arbeitsplatz. Auswertun 1. Stellen Sie raphisch Ihre eessene Dapdruckkurve p = p (T) zunächst au Millieterpapier dar. (Y-Achse: 50 bar = 1 c). Wie roß ist danach der Dapdruck bei 20 C? Extrapolieren Sie Ihre Kurve au 100 C.Wie roß ist Ihr Dapdruck bei 100 C? Hänt Ihre Dapdruckkurve von de Lutdruck a Versuchsta ab? 2. Für den Zusaenhan zwischen Druck und Teperatur des Dapes ilt näherunsweise: p c Q ol 1 R T =. Q ol : olare Verdapunswäre, R: alle. Gaskonstante p e Stellen Sie ür Ihre Werte den Druck p als Funktion von 1/T ( [T] in K) au halbloarithische Papier dar (inden Sie als pd-ile i Netz: Versuche / Graphen-Papier). Bestien Sie aus der Steiun der Ausleichseraden die olare Verdapunswäre Q ol des Wassers. Verleichen Sie bitte Ihren erittelten Wert it de in der Literatur. Woür wird diese Enerie ebraucht? Wie viel Enerie benötit an danach, u 1 l Wasser zu verdapen?. Wie roß ist der Fehler in der Druckessun, wenn die Quecksilbersäule i linken Schenkel 1 Höhe beträt? 2

3 5. ZIELE Unsere Lut enthält neben Sauersto, Sticksto, Kohlendioxyd,... unter andere auch stets einen Anteil Wasserdap. Man sat, die Lut ist eucht, obwohl der Wasserdap in der Lut trocken und unsichtbar ist. Es ibt verschiedene Messeräte und Verahren u die Luteuchtikeit zu bestien: Haarhyroeter, Taupunkthyroeter, Aspirationspsychroeter und elektronische Feuchteesser. Sie werden hier i Versuch das Taupunkthyroeter kennenlernen und die Erebnisse it denen eines elektronischen Feuchteessers verleichen. Bei de letzteren isst an die Kapazität eines Kondensators, der ein hyroskopisches Dielektriku besitzt. Dieses Dielektriku nit je nach Luteuchtikeit ehr oder wenier Wasseroleküle au und ändert dait die Kapazität. 6. TAUPUNKTTEMPERATUR Ständi verdunstet Wasser in die Atosphäre. Lut kann aber nicht beliebi viel Wasserdap aunehen. Sobald der Druck des Wasserdapes p Dap den Wert des iunsdapdrucks p erreicht, ist die Lut it Wasserdap esättit. Die dann in eine Kubiketer Lut enthaltene Wasserdapene nennt an Maxiale Feuchtikeit: ax ax. öliche Masse Wasserdap i Voluen ax = = = Voluen V, das den Wasserdap enthält V V ρ Wie wir i vorien Versuch esehen haben, nit der Druck des esättiten Dapes it sinkender Teperatur ab. Auch die axiale Feuchtikeit wird daher it sinkender Teperatur kleiner. Kalte Lut kann also nicht so viel Wasserdap aunehen wie ware. I Alleeinen liet die vorhandene Wasserdapene erheblich unter der axialen Feuchtikeit. Die in eine Kubiketer Lut tatsächlich enthaltene Wasserdapene ist die Absolute Feuchtikeit: abs Masse Wasserdap i Voluen V tatsächlich = = in = Voluen V, das den Wasserdap enthält V ρ Dap Wenn Lutassen austeien werden sie abekühlt. Unterhalb des Taupunktes bilden sich Wassertröpchen oder Eiskristalle. Renen sich die Wolken au der Wetterseite ab, weht ein warer, trockener Fallwind ins Tal. Kühlt an die Lut ab, so ändert sich der in der Lut enthaltene Anteil an Wasserdap nicht. Die Wasserdapdichte ρ Dap bleibt konstant, aber der iunsdapdruck p und die iunsdapdichte ρ werden eriner. Beide hänen ja von der Teperatur ab. Kühlt an weiter ab, so erreicht an eine Teperatur τ, bei der die Wasserdapdichte ρ Dap leich der iunsdapdichte ρ wird. Unterschreitet an diese Teperatur, so kondensiert der überschüssie Wasserdap. Es bilden sich Wassertröpchen, Tau, Nebel und Wolken. Man nennt diese Teperatur τ Taupunktteperatur oder kurz Taupunkt.

4 7. WIE VIEL WASSERDAMPF IST IN DER LUFT? Dazu üssen Sie ledilich die Taupunktteperatur hier i Versuch bestien. Die Abhänikeit der iunsdapdichte ρ von der Teperatur entnehen Sie der Tabelle unten. Beispiel: Sie essen bei der Zierteperatur T = 25 C eine Taupunktteperatur τ = 10 C. Der Tabelle entnehen Sie ρ (τ = 10 C) = 9,4 nicht ändert, beträt auch die tatsächliche Wasserdapdichte i Zier ρ Dap (T = 25 C) = 9,4. Da sich die Wasserdapdichte bei Abkühlen = abs. In 1 Lut sind 9,4 Wasserdap enthalten. Üblicherweise ibt an statt der absoluten zueist die relative Luteuchtikeit rel an. Sie ist eher ein Wert, it de sich unser Wohlbeinden und unsere Abhänikeit vo Wetter beschreiben lassen. Relative Luteuchtikeit: rel = absolute Feuchtikeit Dap ( T ) ( ) (bei der Teperatur T) axiale Feuchtikeit = ρ ρ τ ρ ( T) = ρ ( T). Beispiel: Mit den Werten von oben: Wasserdapdichte ρ Dap (T = 25 C) = ρ (τ = 10 C) = 9,4 und iunsdapdichte ρ (T = 25 C) = 2,0, eribt sich : rel = 9,4 = 0, 41. Die relative Luteuchtikeit beträt 41%. 2,0 Dapdruck p und Dapdichte ρ von Wasser ϑ/ C p /bar ρ / ,11 4,84 2 7,1 5,6 4 8,1 6,4 6 9, 7, 8 10,7 8, 10 12, 9,4 11 1,1 10, ,0 10,7 1 14,9 11, ,0 12, ,1 12, ,1 1, , 14, ,7 15, ,0 16, 20 2, 17, 21 24,8 18, ϑ/ C p /bar ρ / ,4 19,4 2 28,1 20, ,9 21,8 25 1,7 2,0 26,6 24,4 27 5,6 25,8 28 7,7 27, ,0 28,7 0 42,4 0,8 5 56, 9,6 40 7,7 51, ,9 65, , 8, ,4 104, ,2 10, ,1 161, ,6 198, ,4 241,8 4

5 8. FRAGEN ZUR VORBEREITUNG Ändert sich bei Abkühlen der Lut der Wasserdapdruck, die iunsdapdichte? Was ist und wie unktioniert ein Peltier-Eleent? Kennen Sie den Zusaenhan zwischen Druck und Dichte von Wasserdap? 9. VERSUCHSAUFBAU TAUPUNKTHYGROMETER Au eine Kühlareat (Peltiereleent) ist ein Spieel aueklebt.. Mit de Netzerät lässt sich der elektrische Stro durch das Peltiereleent reeln, dabei wird der Spieel abekühlt. Ist die Taupunktteperatur erreicht, so beschlät der Spieel. Die Teperatur des Spieels wird it eine Theroeleent eessen. Messun Schalten Sie den Stro ür höchstens 10s au 2A ein; danach au 1A. Beobachten Sie den Spieel. Beschlät er? Reeln Sie bitte den Stro einühli nach, u das Einsetzen der Taubildun ölichst enau zu bestien: Messpunkt T 1. Reeln Sie danach den Stro au Null. Wird der Spieel wieder klar: Messpunkt T 2. Die Messpunkte lassen sich leider nur so uneähr bestien, jeder von Ihnen sollte daher den Versuch dreial durchühren. Auswertun Als Taupunktteperatur τ dient das arithetische Mittel beider Werte T 1 und T 2. Bestien Sie ür den Mittelwert Ihrer Taupunktteperatur τ die absolute und die relative Luteuchtikeit. Wie roß ist die Messabweichun ür den Mittelwert? (s. Versuche/Fehlerrechnun..) Wie viel Wasserdap ist danach in 1 ³ Lut enthalten? Wie roß ist der Partialdruck des Wasserdapes? 10. MESSUNG MIT DEM ELEKTRONISCHEN FEUCHTEMESSER Notieren Sie den Wert ür die Luteuchtikeit a Arbeitsplatz. Ändert sich der Wert, wenn Sie i Flur, draußen,... essen? Wir aten euchtere Lut aus als ein. Wenn wir bei der relativen Feuchtikeit von 41% einaten, enthält 25 C ware Lut 9,4 Wasserdap in 1 (Beispiel oben). Bei Ausaten ist der Wert au 44 estieen (iun bei 7 C). Für diese zusätzliche Dapene von 4,6 wird de Körper Wäre entzoen. In der Minute aten wir etwa 6 l = Lut und produzieren dait ,6 = 0,21 Dap. Bei 7 C benötit an ca J u 1 Wasserdap zu erzeuen (Verdapunswäre). Bei Ausaten wird unsere Körper daher die Wäre Q = 2400 J -1 0,21 = 504 J pro Minute entzoen. Diese Leistun Q = 504 J /60 s = 8,4 W ist etwa 10% unserer esaten Wäreababe in Ruhe. Die Dapdruckkurve hört nicht bei 100 C au. Dapturbinen arbeiten uso eektiver, je höher die Dapteperatur ist. Da der Dapdruck des Wassers aber bei 00 C bereits 90 bar beträt, ist an durch die Festikeit der Dapkessel beschränkt. I Dapdrucktop zu Hause erreicht an bei etwa 2 bar eine Teperatur von 120 C. Durch die höhere Teperatur ist die kinetische Enerie der Wasseroleküle rößer und die Kartoeln werden schneller ar. 5