Reale Gase, Phasenumwandlungen

1. Reale Gase, Phasenumwandlungen Gasförmig, flüssig, fest

2. Inhalt • Van der Waalsche Zustandsgleichung • Phasenumwandlungen • Verflüssigung von Gasen

3. Van der Waalsche Zustandsgleichung

4. p,V,T Zustände berechnet mit der van der Waalschen Zustandsgleichung

5. Abweichung von der Zustandsgleichung im realen Gas Beispiel: Isotherme Kompression von CO2 bei T=300 K 0 10 7,5 2,5 5,0 Druck [MPa] Bei 7,3 MPa erscheint flüssiges CO2 Bei weiterer Volumenverkleinerung bleibt der Druck konstant: „Dampfdruck“ über der Flüssigkeit

6. p,V,T Zustände für ein reales Gas mit flüssiger Phase 0 10 7,5 2,5 5,0 Druck [MPa]

7. Versuch zur Phasenumwandlung zwischen Flüssigkeit und Gas • In einer Glaskapillare wird CO2 Gas durch eine aufsteigende Hg Säule isotherm komprimiert. • Bei einem Druck von etwa 60 barerscheint flüssiges CO2 über dem Hg Spiegel. • Bei weiterer Verkleinerung des Volumens wird der zunächst erhöhte Druck durch weitere Verflüssigung, d. h. Volumenabnahme, abgebaut. • Es stellt sich nach kurzer Zeit der Dampfdruck über der Flüssigkeit wieder ein • Auf der p, V, T Fläche bewegt man sich auf der blau eingezeichneten Isothermen bei ca. 295 K nach links: Zuerst im Gas, dann im Koexistenzbereich von Gas und Flüssigkeit entlang einer „Maxwellschen Geraden“.

8. p,V,T Zustände bei der CO2 Kompression im Versuch 0 10 7,5 2,5 5,0 Druck [MPa]

9. p,V,T Zustandsfläche: Gas- und Flüssigkeit in CO2 Flüssige Phase Koexistenz von Gas und Flüssigkeit Gasphase

10. Kritische Temperatur Gasphase Flüssige Phase Koexistenz von Gas und Flüssigkeit Gasphase Oberhalb T=304,2 Kkann CO2 nicht mehr verflüssigt werden: Es bleibt auch bei höheren Drucken in der Gasphase Die „kritische Temperatur“ für CO2 beträgt 304,2 K bei „kritischem Druck“ 7,3 MPa

11. Die Dampfdruckkurve Bereich der Koexistenz von Gas und Flüssigkeit

12. Die Dampfdruckkurve für konstantes Volumen p Flüssigkeit Gas T

13. Koexistenz von drei Phasen Schmelzen Kritischer Punkt p Verdampfungswärme fest flüssig Schmelzwärme Sieden gasförmig T Sublimieren Tripelpunkt

14. Versuch zum Joule Thomson Effekt • Erzeugung von Kohlensäureschnee

15. Expansion von realen Gasen • Bei Abnehmender Dichte wird gegen die van der Waalschen Anziehungskräfte zwischen den Teilchen Arbeit verrichtet: Die Energie wird der inneren Energie des Systems entnommen • Unterhalb einer für das Gas spezifischen „Inversionstemperatur“ kühlt sich das Gas bei Expansion ab • Die Inversionstemperatur liegt für CO2 und Luft weit über der Zimmertemperatur, beide kühlen sich also bei Expansion ab. Mit dem Joule - ThomsonEffekt werden Luft und CO2 verflüssigt.

16. Expansion von He- und Wasserstoff • He- und Wasserstoff erwärmen sich, wenn sie aus einer Druckflasche ausströmen: • Ihre Inversionstemperatur liegt unterhalb von -80°C. • Zur Verflüssigung dieser Gase werden sie mit flüssiger Luft unter ihre Inversionstemperatur abgekühlt

17. Zusammenfassung • Für reale Gase entspricht die van der Waalsche Zustandsgleichung der allgemeinen Gasgleichung. Die Ergänzungen sind: • Das van der Waalsche Kovolumen berücksichtigt die endliche Größe realerTeilchen • Der Binnendruck berücksichtigt die van der Waalsche Wechselwirkung zwischen den Teilchen • Für jedes Gas gibt es eine „kritische Temperatur“, oberhalb der es bei allen Drucken im Gas Zustand bleibt • Effekt der Wechselwirkung: Temperaturabsenkung bei Expansion des Gases bis zur Verflüssigung • Voraussetzung: Start der Expansion unterhalb der „Inversionstemperatur“

18. p fest flüssig gasförmig Tripelpunkt finis T