Nebelkammer - Physikalisches Projektpraktikum

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3.1.2 Van – der – Waals - Gleichung und Isothermen eines realen Gases Die Van-der-Waals Gleichung beschreibt das Verhalten realer Gase, d.h. von Gasen, deren Atome bzw. Moleküle eine endliche Ausdehnung haben und miteinander in Wechselwirkung treten können. Diese Effekte werden durch den Binnendruck und Eigenvolumen berücksichtigt. Über weite Druckbereiche ist diese Gleichung besser als die o.a. Zustandsgleichung für ideale Gase. ⎛ ⎜ ⎝ a ⋅ n Zustandsgleichung: ⎜ P ⎟ ( V − n ⋅ b) + 2 V 2 ⎞ ⎟ ⋅ ⎠ = n ⋅ R ⋅ T Mit: - P: äußerer Druck - a/V²: Binnendruck des Gases - V: Gasvolumen - b: Eigenvolumen der Gasmoleküle Mit zunehmendem Volumen, bzw. abnehmender Dichte nähert sich die Van-der-Waals-Gleichung immer mehr der Zustandsgleichung für ideale Gase und geht schließlich in diese über. Abbildung 3 zeigt PV-Isothermen eines realen Gases (CO2), d.h. ein Diagramm in dem der Druck gegen das Volumen für verschiedene konstante Temperaturen aufgetragen ist, eines realen Gases. Die Isothermen folgen oberhalb der kritischen Temperatur der Van-der-Waals-Gleichung und die Substanzen sind in diesem Bereich gasförmig. Abbildung 3: P-V Isothermen [6] Wird ein Gas unterhalb dieser „kritischen Temperatur“ komprimiert, so steigt der Gasdruck nur bis zu einem bestimmten Volumen an und bleibt danach trotz weiterer Komprimierung konstant. Dies passiert, da sich ein Teil des Gases bei konstantem Druck, verflüssigt. Entlang der horizontalen Linie im Diagramm sind Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht. Der während dieser Zeit herrschende Druck wird Dampfdruck genannt. Sobald das ganze Gas in Flüssigkeit verwandelt wurde steigt der Druck sehr schnell an, da Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind und schon eine geringfügige Verkleinerung des Volumens eine enorme Druckzunahme bedeutet. Seite 5 von 23
Unter bestimmten experimentellen Bedingungen ist es möglich einen Druckverlauf, wie die gekrümmte Kurve ihn darstellt, herzustellen. Man nennt den dann erreichten Zustand übersättigten Dampf oder übersättigte Flüssigkeit. Dieser Zustand wird bei einer <strong>Nebelkammer</strong> benötigt. 3.2 Sättigung und Übersättigung 3.2.1 Begriffsklärungen Ist in einer Flüssigkeit ein Stoff gelöst, so bezeichnet man diese als Lösungsmittel und das resultierende Gemisch als Lösung. Ist die höchstmögliche Menge des Stoffes im Lösungsmittel gelöst, so spricht man von einer gesättigten Lösung und bezeichnet die entsprechende Konzentration des Stoffes als Sättigungsmenge bzw. Sättigungskonzentration. Diese Sättigungsmenge ist dabei abhängig von der Art des Lösungsmittels und der Temperatur. Bekanntermaßen ist warme Luft beispielsweise in der Lage, mehr Wasser als kalte Luft „aufzunehmen“. Im „Normalfall“ kann diese Sättigungskonzentration nicht überschritten werden, eine weitere Zuführung des Stoffes würde nicht mehr gelöst werden. Dennoch ist eine Überschreitung dieser Grenze mitunter möglich, was man in der Folge als übersättigte Lösung bezeichnet. Entscheidend für das Auftreten einer Übersättigung ist hierbei die Existenz von Kristallisationskernen. Je weniger von ihnen vorliegen, desto stärker kann die Lösung übersättigt werden und umgekehrt. Die Übersättigung eines thermodynamischen Systems bezeichnet also einen Zustand, der sich oberhalb des Sättigungspunktes befindet. Das bedeutet beispielsweise, dass eine solche Lösung weiter Stoffe in sich löst, obwohl der eigentliche Gleichgewichtszustand schon erreicht ist. Unter gewöhnlichen Bedingungen würde eine solche Überschreitung des Gleichgewichtszustands durch eine Phasenumwandlung verhindert. Bei übersättigten Systemen tritt diese jedoch nicht am erwarteten Gleichgewichtspunkt des Phasendiagramms auf. Eine Übersättigung kann durch die meist langsame Abkühlung einer gesättigten Lösung bzw. eines gesättigten Mediums erreicht werden. Vor allem in Bezug auf Wasserdampf in der Luft zeigt sich beim Fehlen von Kondensationskernen (Aerosolen) im Laborversuch (<strong>Nebelkammer</strong>) eine Übersättigung von maximal ca. 800 %. Unter atmosphärischen Bedingungen ist dies jedoch nicht der Fall, hier lassen sich maximale Übersättigungen von 100 % beobachten, wobei diese jedoch sehr selten sind und in der Regel nur Übersättigungen von wenigen Prozentpunkten auftreten. 3.2.2 Sättigung und Übersättigung am Beispiel Wasserdampf Wasserdampf ist dann gesättigt, wenn er nicht mehr fähig ist seine eigene Konzentration in der Luft weiter zu erhöhen, da diese schon die maximale Luftfeuchtigkeit mit sich trägt. Der Begriff der Sättigung kann physikalisch/ chemisch unterschiedlich erklärt werden, wobei die Interpretationen sich keinesfalls widersprechen, sondern synonym sind: • thermodynamisches Gleichgewicht zwischen Wasserdampf und Wasser • angeglichene chemische Potenziale der beiden Stoffe Seite 6 von 23
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