Was kocht denn da? Stoffe und ihre Aggregatzustände

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1 en Was kocht denn da? Stoffe und ihre Aggregatzustände Ein Film von Wolfgang Voelker Beitrag: Rupert Ernhofer Inhalt Was haben Wasser, Dampf und Eis gemeinsam? Richtig: trotz unterschiedlicher Bezeichnungen handelt es sich immer um ein und denselben Stoff, nämlich um Wasser. Und warum haben wir dann drei unterschiedliche Wörter? Ganz einfach: Um die verschiedenen Zustände zu benennen, in denen uns das Wasser begegnet. Einmal flüssig, einmal fest, einmal gasförmig. Die Physik bezeichnet diese drei grundlegenden Beschaffenheiten, also fest, flüssig und gasförmig, als Aggregatzustände. Diese Aggregatzustände treffen wir treffen jedoch nicht nur beim Wasser, sondern bei den meisten Stoffen an. Fest, flüssig, gasförmig und zurück Aber was bewirkt den Wechsel von einem Aggregatszustand in einen anderen? Wie kommt er zustande, nach welchen physikalischen Gesetzen läuft der Zustandswechsel ab? Am einfachsten lassen sich diese Fragen am Beispiel des Wassers beantworten. Denn ob Wasser flüssig, fest oder gasförmig vorliegt, hängt in erster Linie von der Temperatur ab. Wird Wasser kälter als 0 Grad Celsius, gefriert es und nimmt den Aggregatzustand "fest" an. Die Schwelle, die das Wasser dabei von flüssig zu fest durchschreitet, ist der Gefrierpunkt. Wird Wasser auf 100 Grad Celsius erhitzt, verdampft es und geht in den Aggregatzustand gasförmig über. Die von flüssig zu gasförmig durchschrittene Schwelle ist der Siedepunkt. Die Siedepunkt ist eine entscheidende Grenze: Haben Flüssigkeiten ihre Siedetemperatur erreicht, können sie nicht mehr heißer werden. Ab jetzt dient die zugeführte Wärmeenergie nur noch dem Zweck, ihre Beschaffenheit zu ändern. Mit anderen Worten: Die Temperatur bleibt gleich, aber die Erscheinungsform ändert sich: sie geht in den gasförmigen Aggregatzustand über. Ein Prinzip, viele Ausprägungen Dieses Prinzip gilt für alle Flüssigkeiten und Stoffe. Da aber nicht alle dieselben Eigenschaften haben, haben sie natürlich alle ihre eigene, sehr charakteristischen Gefrier- und Siedetemperatur, die sich stark von der Siede- bzw. Gefriertemperatur des Wassers unterscheidet. Egal wie hoch oder tief die entsprechenden Schwellenwerte sind, ein Grundsatz gilt immer: Der Übergang von einem Aggregatzustand zum anderen Aggregatzustand benötigt Energie. Diese Energie ist für jeden Stoff unterschiedlich. Beim Übergang von fest zu flüssig nennt man sie Bayerischer Rundfunk 1

2 en spezifische Schmelzenergie und für den Übergang von flüssig zu gasförmig spezifische Verdampfungsenergie. Die Siedertemperatur: eine Frage des Drucks Eine entscheidende Rolle bei der Änderung des Aggregatzustands spielt neben der Temperatur auch die physikalische Größe "Druck". Sie kann die Siedetemperatur einer Flüssigkeit beeinflussen, wie das Beispiel des Dampfdruckkochtopfs zeigt. Weil der Topf völlig verschlossen ist, erhöht sich der Druck im Inneren und damit auch die Siedetemperatur: Sie liegt dann nicht mehr bei 100 Grad Celsius, sondern bei etwa 120 Grad. Das heißt: Speisen garen deutlich schneller als unter normalem atmosphärischen Druck. Umgekehrt verringert sich mit fallendem äußerem Druck auch die Siedetemperatur. Sie sinkt pro 300 Höhenmeter um etwa ein Grad Celsius. Wer im Hochgebirge, wo der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, kochen möchte, ist regelmäßig mit diesem Phänomen konfrontiert. Weil der Siedepunkt des Wassers deutlich unter 100 Grad Celsius liegt, ist es extrem schwierig bzw. langwierig, Speisen zu garen. Bei der Siedetemperatur tritt bei ständiger Energiezufuhr die Änderung des Aggregatzustands ein. Die Flüssigkeit geht in den gasförmigen Zustand über. Im Teilchenmodell lässt sich das Sieden so erklären: Teilchen mit überdurchschnittlicher Bewegungsenergie lagern sich spontan um Siedepunkte (kleinste Luftbläschen oder Fremdkörper) zu Dampfblasen zusammen. Diese werden immer größer, je mehr schnellere Teilchen dazukommen. Die Dampfblasen steigen nach oben, zerplatzen an der Oberfläche, und fliegen in den Raum über der Flüssigkeit. Da die schnellsten Teilchen die Flüssigkeit verlassen, würde die Siedetemperatur sofort unterschritten, wenn nicht ständig Energie zugeführt würde. Zum Verdampfen einer Flüssigkeit muss Energie zugeführt werden. Die Menge der zugeführten Energie ist davon abhängig um welche Flüssigkeit es sich handelt. Diese Verdampfungsenergie ist für jeden Stoff charakteristisch und man bezeichnet sie als spezifische Verdampfungsenergie. Fakten Sieden und Kondensieren Verdunsten Wird einer Flüssigkeit Energie zugeführt, so erhöht sich die Temperatur der Flüssigkeit. Ab einem bestimmten Wert nimmt die Temperatur der Flüssigkeit nicht mehr zu. Diese Siedetemperatur ist für jede Flüssigkeit charakteristisch: Helium -269 C Spiritus 80 C Wasser 100 C Glycerin 290 C Quecksilber 357 C Eisen 2800 C Gold 2970 C Wolfram 5555 C Die spezifische Verdampfungsenergie lässt sich ermitteln, in dem man eine bestimmte Masse eines Stoffes, beispielsweise von Wasser, verdampft und gleichzeitig die dazu benötigte Zeit misst. Aus der gemessenen Zeitdauer und der Leistung der Wärmequelle ergibt sich die zugeführte Energie (Verdampfungsenergie). Dividiert man die Verdampfungsenergie durch die Masse der verdampften Flüssigkeit, so erhält man eine von der Masse unabhängige Größe, die spezifische Verdampfungsenergie. Einige Beispiele: Helium Alkohol Wasser Quecksilber Eisen Gold 21 kj/kg 854 kj/kg 2258 kj/kg 285 kj/kg 6342 kj/kg 1578 kj/kg Bayerischer Rundfunk 2

3 en Der entstehende Wasserdampf kann sich nicht ausdehnen, so entsteht im Topf ein Überdruck, der ständig größer wird. Mit dem erhöhten Druck steigt auch die Siedetemperatur des Wassers Um den Kochtopf auf eine bestimmte Temperatur zu halten, muss nur soviel Wärme zugeführt werden wie der Topf an die Umgebung abgibt. Da die Siedetemperatur des Wassers erhöht ist (auf ca. 120 C) und der Wasserdampf beim Kondensieren sehr viel Wärme an das Kochgut abgibt, werden die Speisen auch schneller gar. 2. Sieden bei verminderten Druck Das Wasser in Lebensmitteln wird teilweise oder ganz verdampft Trockenmilch, Kartoffelchips, löslicher Kaffee, Dörrobst, Astronautennahrung, usw. Unter den Flüssigkeiten benötigt Wasser beim Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand die größte Verdampfungsenergie. Diese bei der Aggregatzustandsänderung zugeführt Energie kann dann mit dem Wasserdampf transportiert werden. In allen Wärmekraftwerken wird immer Wasser verdampft und dient dann als Transportmittel der Energie zum Antrieb der Turbine, die wiederum den Generator antreibt. Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit hängt vom äußeren Druck ab: Je kleiner der äußere Druck, desto niedriger ist die Siedetemperatur Je größer der äußere Druck, desto höher ist die Siedetemperatur Kondensation ist der Übergang eines Gases in den flüssigen Aggregatzustand. Dabei wird die zur Verdampfung zugeführte Energie wieder frei. Neben dem Sieden gibt es noch eine zweite Möglichkeit für eine Flüssigkeit, in den gasförmigen Zustand zu kommen. Unterhalb der Siedetemperatur kann eine Flüssigkeit verdampfen. Man nennt diesen Vorgang verdunsten. Dieses Verdunsten geschieht ständig. Anwendungen 1. Sieden bei erhöhtem Druck (Dampfdruckkochtopf) Der Kochtopf wird bei normalem Druck verschlossen. Das Wasser im Topf beginnt bei etwa 100 C zu sieden. Der in der Luft befindliche Wasserdampf kann bei bestimmten Bedingungen, wie Druck- bzw. Temperaturänderung, in den flüssigen Zustand übergehen, wie dies im Herbst oft durch Nebelbildung sichtbar wird. Der Vorgang des ständigen Verdunstens und Kondensierens in der Luft ist für das Leben auf der Erde und für das Wetter ein wichtiger Vorgang. Das Verdunsten einer Flüssigkeit ist von mehreren Faktoren abhängig. Eine bestimmte Flüssigkeitsmenge verdunstet umso rascher, je größer ihre freie Oberfläche ist (Bsp.: Wassereimer Pfütze) je niedriger ihre Siedetemperatur ist (Bsp.: Wasser Spiritus) je höher ihre Temperatur ist (Bsp.: Pfütze im Winter Pfütze im Sommer) je weniger Dampf die umgebende Luft bereits enthält (Bsp.: Wüste Dschungel) je schneller der entstehende Dampf entfernt wird (Bsp.: Windstille Wind) Bayerischer Rundfunk 3

4 en Didaktische Hinweise Lehrplanbezüge (Bayern) Haupt-/Mittelschule 6 Jgst. PCB Erscheinungsformen und Eigenschaften des Wassers Realschule 9. Jgst, Physik I (3-stündig) 9.1 Wärmelehre: Verdampfen; Siedetemperatur von Flüssigkeiten Erklärung für den Siedevorgang Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck; Verdunsten Gymnasium 8. Jgst. Physik (2, NTG 2 + Profil) 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre: Beschreiben der Aggregatszustände im Teilchenmodell; Beschreiben von Schmelzen, Sieden und Verdunsten im Teilchenmodell; Zusammenhang zwischen Temperaturänderung bzw. Änderung des Aggregatzustands und Änderung der inneren Energie nur anhand einfacher Beispiele Lernziele Die Schüler/innen sollen kennen lernen und verstehen, dass für Aggregatzustandsübergänge von fest zu flüssig bzw. flüssig zu gasförmig eine bestimme Energie erforderlich ist, während des Aggregatzustandsübergangs die zugeführte Energie nur für die Änderung des Aggregatzustands benötigt wird, sich während des Aggregatzustandsübergangs die Temperatur des Stoffes nicht erhöhen kann, jede Flüssigkeit eine bestimmte charakteristische Siedetemperatur hat, jeder feste Stoff eine bestimmte charakteristische Schmelztemperatur hat, bei Aggregatzustandsänderungen neben der Temperatur auch der Druck von Bedeutung ist, Wasser bei vermindertem Druck schon bei Raumtemperatur sieden kann, der menschliche Körper durch die Abgabe von Wasserdampf an die Umwelt (Schwitzen) den Energiehaushalt regeln kann. das ständige Verdampfen und Kondensieren von Wasser bzw. Wasserdampf die Grundlage für das Wetter bzw. unser Klima ist. Anregungen Die Sendung gliedert sich in vier Abschnitte: : Diese Sendung befasst sich mit den drei möglichen Aggregatszuständen die Stoffe einnehmen können. Im Abschnitt I wird gezeigt, wo in der Natur und im täglichen Leben Aggregatzustandsänderungen vorkommen. Durch die Zufuhr von Energie oder durch das Zusammenwirken von Energie (Temperatur) und hohen Drücken ist es möglich, die Aggregatszustände zu ändern. Im Erdinneren wird Gestein geschmolzen und nach Vulkanausbrüchen erstarrt es wieder. Es scheint, dass der Übergang vom fest zum flüssigen Aggregatzustand mehr Energie benötigt als der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Aggregatzustand. Bayerischer Rundfunk 4

5 en : Siedendes Wasser wird weiter erwärmt. Die zugeführte Energie dient dazu, dass das Wasser in Wasserdampf übergeht. Wasser benötigt von allen Flüssigkeiten am meisten Energie beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Somit lässt sich mit Wasserdampf sehr viel Energie transportieren und große mechanische Arbeit verrichten : Im Abschnitt III wird auf eine weitere Größe eingegangen, die bei Aggregatzustandsänderungen von Bedeutung ist, den Druck. So kann man unter hohem Druck bei gleicher Temperatur schneller kochen und es ist möglich, Gase zu verflüssigen, um sie in Transportgefäßen (Gasflaschen) unterzubringen. Im Hochgebirge (wie dem Himalaya) nimmt der Luftdruck ab. Wasser siedet jetzt schon unter 100 C und Speisen werden nicht mehr gar : Reinstoffe nehmen im Allgemeinen einen der drei Aggregatszustände fest, flüssig und gasförmig ein. Es gibt auch Mischstoffe, wie die Bestandteile von Glas, aus denen durch hohe Energiezufuhr eine Schmelze entsteht. Wird diese abgekühlt, so erstarrt sie. Glas ist eine unterkühlte Flüssigkeit. Trockeneis geht ohne den flüssigen Aggregatzustand sofort in den gasförmigen Zustand über. Neben dem Sieden gibt es auch noch das Verdunsten. Dies ist für die Wetterbildung von wichtiger Bedeutung : Tobi Tüftler hat ein Problem. Warum beschlägt sich das Objektiv seiner Digitalkamera mit einem Feuchtigkeitsfilm, wenn vom Kalten in einen warmen Raum wechselt? Hilfe findet er im Internet. Einsatz im Unterricht: Der ganze Film ist der Abschluss der fünfteiligen Sendereihe. Er kann als Einstieg in die Thematik Aggregatzustandsänderung oder als Zusammenfassung dienen. Mit dem Abschnitt I kann man sehr gut die einzelnen Aggregatszustände verdeutlichen, die Stoffe einnehmen können. Der Abschnitt I kann auch alleine gezeigt werden, wenn man vor allem noch quantitative Versuche anschließen möchte. Abschnitt II und III sollten miteinander gezeigt werden, wenn man verdeutlichen will, wie Zustandsänderungen nicht nur von der Temperatur, dass heißt von der zugeführten Energie, abhängig sind, sondern auch vom herrschenden Druck. Im letzten Abschnitt IV werden noch die Besonderheiten bei Zustandsänderungen aufgezeigt. So eignet sich dieser Abschnitt gut zur Zusammenfassung. Da für die Entstehung des Wetters die Verdunstung eine zentrale Rolle spielt, ist dieser Abschnitt auch geeignet, in Geografie oder Erdkunde verwendet zu werden. Literaturhinweise Dietmar Steiner, Rupert Ernhofer, Karl-Heinz Lutz, Holger Wolfshöfer: Newton Physik I-III. Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH, München,2005. Hans Leopold, Rudolf Zins: Physik 10I. C. C. Buchner Verlag, Bamberg, Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Lehrbuch der Experimentalphysik 1. Mechanik - Akustik - Wärme: Band 1. Walter de Gruyter, München, Internettipps Aggregatzustände Bayerischer Rundfunk 5

6 en Schmelzen Erstarren d_schmelzwaerme.doc Sieden Kondensieren Verdunsten Bayerischer Rundfunk 6