1. Dampf – Grundlagen

    

   1. Aggregatzustände von Wasser

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   Die meisten Stoffe liegen in einem von drei Aggregatzustände vor: fest, flüssig oder gasförmig. Stoffe in diesen Aggregatzuständen werden als Feststoffe, Flüssigkeiten bzw. Gase bezeichnet. Bei Wasser entspricht dies Eis, Wasser und Dampf. Eine gute Möglichkeit, die Eigenschaften von Wasserdampf kennen zu lernen, besteht darin, sich mit den Grundzügen der Molekularstruktur von Stoffen vertraut zu machen und diese auf Eis, Wasser und Dampf anzuwenden. Molekulare Strukturen sind leicht zu verstehen, wenn man bedenkt, dass Moleküle über elektrische Bindungen zusammengehalten werden.

    

   Ein Molekül ist die kleinste Einheit, die alle chemischen Eigenschaften eines Stoffs besitzt.

   Die Verbindung, die aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht, wird als H2O bezeichnet. Hierbei handelt es sich im die chemische Formel. Auf der Erde gibt es so viel Wasser, weil Wasserstoff und Sauerstoff die häufigsten Moleküle im Universum sind.

    

   1. Eis (fester Aggregatzustand)

       

      Die Eismoleküle sind fest miteinander verbunden, weil sie dicht in einer geordneten Gitterstruktur vorliegen. Die Aktivität (Schwingung) der einzelnen Moleküle ist in dieser Kristallstruktur auf einen kleinen Bereich beschränkt. Bei zunehmender Erwärmung führt die verstärkte Molekülschwingung schließlich dazu, dass die Bindungen zwischen dem Molekülen teilweise gelöst werden. Das Eis beginnt zu schmelzen und wird flüssig. Die Temperatur, bei der das Eis zu schmelzen beginnt, wird als Schmelzpunkt bezeichnet.

       

      Bei Normaldruck liegt der Schmelzpunkt bei 0 °C. Je höher der Druck ist, desto höher ist auch die Schmelztemperatur. Die Temperatur eines (flüssigen) Wasser-Eis-Gemischs bleibt auf der Schmelztemperatur, während sich das Wassermolekülgitter des Eises auflöst (auch als Schmelzen bezeichnet). Die gesamte zugeführte Wärme wird also zum Schmelzen verwendet. Diese Wärmemenge wird als Schmelzwärme oder (genauer) als Schmelzenthalpie bezeichnet. Der Phasenübergang von fest zu flüssig ist umkehrbar und die Flüssigkeit verfestigt sich unter Abgabe der gleichen Wärmemenge. Diese Wärmemenge (gleich der Schmelzwärme) wird als Erstarrungswärme bezeichnet.

       

      Die Dichte der meisten Stoffe verringert sich, wenn der Stoff vom festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Das heißt, der Raum zwischen den flüssigen Molekülen ist größer als der bei festen Molekülen. H2O ist jedoch eine Ausnahme, da sich dessen Dichte beim Schmelzen erhöht. Aus diesem Grund schwimmt Eis auf Wasser.

   2. Wasser (flüssiger Aggregatzustand)

       

      In der flüssigen Phase bewegen sich die Moleküle frei und stoßen oft zusammen. Der Raum zwischen den Molekülen ist jedoch immer noch eng, da die Kräfte, die die Wassermoleküle aneinander binden, stark bleiben. Bei Wärmezufuhr verstärkt sich die Bewegung der Moleküle, bis der Siedepunkt erreicht ist.

   3. Dampf (gasförmiger Aggregatzustand)

 

Mit steigender Temperatur verringert sich die Dichte des Wassers. Sofern sich die Wärmequelle nicht über dem Wasser befindet, führt dies dazu, dass die wärmeren Moleküle nach oben steigen und die kälteren nach unten sinken (Konvektion). Einige Wassermoleküle an der Oberfläche können in den gasförmigen Zustand übergehen, ohne dass die Sättigungstemperatur überschritten wird, wenn sich über dem Wasser eine gasförmige Stoffe befinden (z. B. Luft). Dies wird als Verdunstung bezeichnet. Die Menge der verdampften Wassermoleküle nimmt zu, bis die Wassertemperatur die Sättigungstemperatur erreicht. Ab diesem Punkt erfolgt der Phasenübergang von flüssig in Gasförmig durch Sieden statt durch Verdampfen. Das Sieden findet an der Wärmequelle statt, nicht an der Oberfläche (im Gegensatz zur Verdampfung). Daher sind Dampfblasen zu erkennen, die von der Wärmequelle zur Oberfläche aufsteigen.

 

 

Bleibt der Druck konstant, steigt die Temperatur auch bei fortgesetzter Wärmezufuhr nicht an, bis das gesamte Wasser verdampft ist. Die gesamte Wärme wird durch die Verdampfung verbraucht und daher als latente Wärme oder Verdampfungswärme bezeichnet. Die Temperatur von siedendem Wasser (gesättigtem Wasser) und Sattdampf ist die gleiche, aber die Wärmeenergie pro Masseneinheit von Dampf ist viel größer als die von Wasser. Der Prozess der Verdampfung ist ebenso reversibel wie der Phasenwechsel von Eis zu Wasser. Der Übergang von (gasförmigem) Dampf in (flüssiges) Wasser wird als Kondensation bezeichnet, und die dabei entstehende Flüssigkeit als Kondensat. Bei der Kondensation wird sowie Wärme abgegeben wie bei der Verdampfung aufgenommen wurde (vorausgesetzt beide Vorgänge finden unter identischem Druck statt).

 

Diese Wärme wird als Kondensationswärme bezeichnet.