Sieden ist der Vorgang des Übergangs eines Stoffes vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfung in einer Flüssigkeit). Kochen ist kein Verdampfen: Es unterscheidet sich darin, was passieren kann nur bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur.

Kochen – Wasser bis zum Siedepunkt erhitzen.

Das Kochen von Wasser ist ein komplexer Prozess, der in abläuft vier Stufen. Betrachten Sie das Beispiel von kochendem Wasser in einem offenen Glasgefäß.

In der ersten Phase Wenn Wasser kocht, entstehen am Boden des Gefäßes kleine Luftbläschen, die auch an der Wasseroberfläche an den Seiten zu sehen sind.

Diese Blasen entstehen durch die Ausdehnung kleiner Luftblasen, die sich in kleinen Rissen im Gefäß befinden.

In der zweiten Phase Es ist eine Zunahme des Blasenvolumens zu beobachten: Immer mehr Luftblasen strömen an die Oberfläche. In den Blasen befindet sich gesättigter Dampf.

Mit steigender Temperatur erhöht sich der Druck der gesättigten Blasen, wodurch diese größer werden. Dadurch nimmt die auf die Blasen wirkende archimedische Kraft zu.

Dank dieser Kraft tendieren die Blasen zur Wasseroberfläche. Wenn die oberste Wasserschicht keine Zeit zum Aufwärmen hatte bis 100 Grad C(und das ist der Siedepunkt von reinem Wasser ohne Verunreinigungen), dann sinken die Blasen in heißere Schichten ab und strömen dann wieder an die Oberfläche.

Dadurch, dass die Blasen ständig kleiner und größer werden, entstehen im Inneren des Gefäßes Schallwellen, die das für das Sieden charakteristische Geräusch erzeugen.

In der dritten Stufe Unzählige Blasen steigen an die Wasseroberfläche, was zunächst zu einer leichten Trübung des Wassers führt, das dann „blass“ wird. Dieser Vorgang dauert nicht lange und wird „Weißkochen“ genannt.

Endlich, in der vierten Stufe Nach dem Kochen beginnt das Wasser stark zu kochen, es entstehen große platzende Blasen und Spritzer (spritzer bedeuten in der Regel, dass das Wasser stark kocht).

Aus dem Wasser beginnt sich Wasserdampf zu bilden, und das Wasser macht bestimmte Geräusche.

Warum „blühen“ die Wände und „weinen“ die Fenster? Sehr oft sind dafür Bauherren verantwortlich, weil sie den Taupunkt falsch berechnet haben. Lesen Sie den Artikel, um herauszufinden, wie wichtig dieses physikalische Phänomen ist und wie man überschüssige Feuchtigkeit im Haus beseitigt.

Welche Vorteile kann Schmelzwasser denjenigen bringen, die abnehmen möchten? Sie werden es erfahren; es stellt sich heraus, dass Sie ohne großen Aufwand abnehmen können!

Dampftemperatur beim Kochen von Wasser ^

Dampf ist der gasförmige Zustand von Wasser. Wenn Dampf in die Luft gelangt, übt er, wie andere Gase auch, einen gewissen Druck auf die Luft aus.

Während des Dampfbildungsprozesses bleibt die Temperatur von Dampf und Wasser konstant, bis das gesamte Wasser verdampft ist. Dieses Phänomen erklärt sich dadurch, dass die gesamte Energie (Temperatur) darauf gerichtet ist, Wasser in Dampf umzuwandeln.

Dabei entsteht trockener Sattdampf. In diesem Dampf gibt es keine hochdispersen Partikel der flüssigen Phase. Auch Dampf kann sein gesättigt, nass und überhitzt.

Sattdampf, der schwebende, hochdisperse Partikel der flüssigen Phase enthält, die gleichmäßig über die gesamte Dampfmasse verteilt sind, genannt nasser Sattdampf.

Zu Beginn des Kochens von Wasser entsteht genau dieser Dampf, der dann in trockenen Sattdampf übergeht. Dampf, dessen Temperatur höher ist als die Temperatur von kochendem Wasser, bzw. überhitzter Dampf, kann nur mit speziellen Geräten gewonnen werden. In diesem Fall wird dieser Dampf in seinen Eigenschaften Gas ähneln.

Siedepunkt von Salzwasser^

Der Siedepunkt von Salzwasser ist höher als der Siedepunkt von Süßwasser. Als Konsequenz Salzwasser kocht später als Süßwasser. Salzwasser enthält Na+- und Cl--Ionen, die einen bestimmten Bereich zwischen den Wassermolekülen einnehmen.

In Salzwasser lagern sich Wassermoleküle in einem Prozess namens Hydratation an Salzionen an. Die Bindung zwischen Wassermolekülen ist viel schwächer als die Bindung, die bei der Hydratation entsteht.

Wenn Süßwassermoleküle kochen, erfolgt daher die Verdampfung schneller.

Das Kochen von Wasser mit gelöstem Salz erfordert mehr Energie, in diesem Fall Temperatur.

Mit zunehmender Temperatur bewegen sich die Moleküle im Salzwasser zwar schneller, es sind aber weniger davon vorhanden, wodurch sie seltener kollidieren. Dadurch entsteht weniger Dampf, dessen Druck geringer ist als der von Frischwasserdampf.

Damit der Druck im Salzwasser über den Atmosphärendruck ansteigt und der Siedevorgang einsetzt, ist eine höhere Temperatur erforderlich. Bei Zugabe von 60 Gramm Salz zu 1 Liter Wasser erhöht sich der Siedepunkt um 10 °C.

Oleg

Und hier machten sie einen Fehler um drei Größenordnungen: „Die spezifische Verdampfungswärme von Wasser beträgt 2260 J/kg.“ Richtige kJ, d.h. 1000 Mal mehr.

Nastja

Was erklärt den hohen Siedepunkt von Wasser?
Was führt dazu, dass Wasser bei hohen Temperaturen kocht?

Ich bin Jiva

Überhitzter Dampf ist Dampf mit einer Temperatur über 100 °C (naja, wenn Sie sich nicht in den Bergen oder im Vakuum befinden, aber unter normalen Bedingungen), er wird durch das Leiten von Dampf durch heiße Rohre oder einfacher aus einer kochenden Salzlösung gewonnen oder Alkali (gefährlich – Alkali ist stärker als Na2CO3 (zum Beispiel Kali – K2CO3, weshalb NaOH-Rückstände im Gegensatz zu in der Luft kohlensäurehaltigen KOH-Rückständen innerhalb von ein bis zwei Tagen für die Augen unschädlich werden) vergiftet die Augen, vergessen Sie nicht, eine Schwimmbrille zu tragen! ), aber solche Lösungen kochen in Schüben, man braucht Kochtöpfe und eine dünne Schicht auf dem Boden, man kann beim Kochen Wasser hinzufügen, nur dass es verdampft.
Aus kochendem Salzwasser kann man also Dampf mit einer Temperatur von etwa 110 °C gewinnen, nicht schlechter als der gleiche Dampf aus einem 110 °C heißen Rohr. Dieser Dampf enthält nur Wasser und wird erhitzt, er weiß nicht mehr wie, aber er hat eine „Gangreserve“. ” von 10 °C im Vergleich zu Dampf aus einem Süßwasserkessel.
Man kann es als trocken bezeichnen, weil... Erwärmung (durch Kontakt wie in einem Rohr oder sogar durch Strahlung, was nicht nur für die Sonne, sondern bis zu einem gewissen (temperaturabhängigen) Grad für jeden Körper charakteristisch ist) eines Objekts, Dampf kann, nachdem er auf 100 °C abgekühlt ist, immer noch ein Gas bleiben, und nur eine weitere Abkühlung unter 100 °C führt zu seiner Kondensation zu einem Wassertropfen und nahezu zu einem Vakuum (der gesättigte Dampfdruck von Wasser beträgt etwa 20 mm Hg von 760 mm Hg (1 atm), d. h. 38-mal niedriger als der Atmosphärendruck). Dies geschieht auch bei nicht überhitztem, gesättigtem Dampf mit einer Temperatur von 100 °C in einem beheizten Gefäß (Kessel aus einem Ausguss, aus dem Dampf austritt) und nicht nur bei Wasser, sondern bei jeder siedenden Substanz, zum Beispiel kocht medizinischer Äther bereits bei Körpertemperatur , und kann in einer Flasche in der Handfläche kochen, aus deren Hals seine Dämpfe „sprudeln“ und das Licht merklich brechen. Wenn Sie nun die Flasche mit der zweiten Handfläche schließen und die Heizung der unteren Handfläche entfernen und sie durch eine ersetzen Stehen Sie es bei einer Temperatur unter 35 °C, hört der Äther auf zu kochen und sein gesättigter Dampf, der beim Sieden die gesamte Luft aus dem Kolben verdrängt, kondensiert zu einem Äthertropfen und erzeugt ein Vakuum, das nicht stärker ist als das, aus dem der Äther austritt kocht, das heißt ungefähr gleich dem Druck des gesättigten Ätherdampfes bei der Temperatur des kältesten Punktes im Inneren des Kolbens oder eines daran angeschlossenen zweiten Gefäßes oder Schlauchs ohne Undichtigkeiten mit geschlossenem anderen Ende, so funktioniert das Kriofor-Gerät ist so konzipiert, dass es das Prinzip einer kalten Wand demonstriert, die wie süße Klettverschlussbienen alle Dampfmoleküle im System einfängt. („Vakuumalkohol“ wird auf diese Weise ohne Erhitzen angetrieben.)

WÄRMEÜBERTRAGUNG BEIM SIEDEN UND KONDENSIEREN

WÄRMEÜBERTRAGUNG WÄHREND DES KODENS

Sieden ist der Prozess der intensiven Verdampfung, die im gesamten Volumen einer Flüssigkeit, die sich auf Sättigungstemperatur befindet oder gegenüber der Sättigungstemperatur leicht überhitzt ist, unter Bildung von Dampfblasen auftritt. Beim Phasenumwandlungsprozess wird die Verdampfungswärme absorbiert. Der Siedeprozess beinhaltet normalerweise die Zugabe von Wärme zu einer kochenden Flüssigkeit.

Flüssigkeitskochmodi.

Man unterscheidet zwischen dem Sieden von Flüssigkeiten auf einer festen Wärmeaustauschfläche, der von außen Wärme zugeführt wird, und dem Sieden in der Flüssigkeitsmasse.

Beim Sieden auf einer festen Oberfläche wird an bestimmten Stellen dieser Oberfläche die Bildung einer Dampfphase beobachtet. Beim Volumensieden entsteht die Dampfphase spontan direkt im Flüssigkeitsvolumen in Form einzelner Dampfblasen. Volumensieden kann nur auftreten, wenn die flüssige Phase im Vergleich zur Sättigungstemperatur bei einem gegebenen Druck stärker überhitzt wird als das Sieden auf einer festen Oberfläche. Eine erhebliche Überhitzung kann beispielsweise auftreten, wenn der Druck im System schnell abgebaut wird. Wenn in der Flüssigkeit interne Wärmequellen vorhanden sind, kann es zum Volumensieden kommen.

In der modernen Energie- und Technik kommt es häufig zu Siedevorgängen an festen Heizflächen (Rohroberflächen, Kanalwände etc.). Auf diese Art des Siedens wird im Folgenden hauptsächlich eingegangen.

Der Mechanismus der Wärmeübertragung beim Blasensieden unterscheidet sich vom Mechanismus der Wärmeübertragung bei der Konvektion einer einphasigen Flüssigkeit durch die zusätzliche Übertragung von Stoffmasse und Wärme durch Dampfblasen von der Grenzschicht in das Volumen der siedenden Flüssigkeit. Dies führt zu einer hohen Intensität der Wärmeübertragung beim Sieden im Vergleich zur Konvektion einer einphasigen Flüssigkeit.

Damit der Siedevorgang stattfinden kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: das Vorliegen einer Überhitzung der Flüssigkeit im Verhältnis zur Sättigungstemperatur und das Vorhandensein von Verdampfungszentren.

Direkt an der beheizten Wärmeaustauschfläche hat die Überhitzung der Flüssigkeit ihren Maximalwert. Darauf befinden sich Dampfbildungszentren in Form von Wandunregelmäßigkeiten, Luftblasen, Staubpartikeln etc. Daher erfolgt die Bildung von Dampfblasen direkt auf der Wärmeaustauschfläche.

Abbildung 3.1 – Flüssigkeitssiedemodi in unbegrenztem Volumen: a) sprudelnd; b) – vorübergehend; c) - Film

In Abb. 3.1. zeigt schematisch die Siedezustände einer Flüssigkeit in einem unbegrenzten Volumen. Bei Blasenmodus Sieden (Abb. 3.1, a), wenn die Temperatur der Heizfläche steigt t c und dementsprechend nimmt die Zahl der aktiven Verdampfungszentren zu und der Siedeprozess wird immer intensiver. Dampfblasen lösen sich in regelmäßigen Abständen von der Oberfläche und wachsen an der freien Oberfläche weiter, wobei ihr Volumen weiter zunimmt.

Mit zunehmendem Temperaturdruck Δ T der Wärmefluss, der von der Heizfläche an die siedende Flüssigkeit abgeführt wird, nimmt deutlich zu. Die gesamte Wärme wird letztendlich zur Dampferzeugung genutzt. Daher hat die Wärmebilanzgleichung für das Sieden die Form:

Wo Q- Wärmestrom, W; R- Phasenübergangswärme der Flüssigkeit, J/kg; G p- die Dampfmenge, die pro Zeiteinheit durch das Sieden der Flüssigkeit erzeugt und von ihrer freien Oberfläche entfernt wird, kg/s.

Wärmefluss Q mit zunehmender Temperaturdifferenz Δ T wächst nicht unbegrenzt. Bei einem bestimmten Wert Δ T es erreicht seinen Maximalwert (Abb. 3.2), und zwar mit einem weiteren Anstieg von Δ T beginnt abzunehmen.

Abbildung 3.2 – Abhängigkeit der Wärmestromdichte Q

aus der Temperaturdifferenz Δ T beim Kochen von Wasser in einer großen Menge bei atmosphärischem Druck: 1- Erhitzen auf Sättigungstemperatur; 2 – Blasenmodus; 3 – Übergangsmodus; 4 – Filmmodus.

Geben Sie die Bereiche 1, 2, 3 und 4 an

Im Abschnitt 2 (Abb. 3.2) findet der Blasensiedemodus statt, bis an der Stelle die maximale Wärmeabfuhr erreicht ist Q kr1, genannt erste kritische Wärmestromdichte. Für Wasser bei Atmosphärendruck beträgt die erste kritische Wärmestromdichte ≈ W/m2; der entsprechende kritische Wert der Temperaturdifferenz W/m 2. (Diese Werte gelten für kochendes Wasser mit freier Bewegung in einem großen Volumen. Für andere Bedingungen und andere Flüssigkeiten gelten andere Werte.)

Bei größerem Δ T kommt Übergangsregime kochend (Abb. 3.1, B). Es zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl auf der Heizfläche selbst als auch in deren Nähe kontinuierlich Blasen miteinander verschmelzen und große Dampfhohlräume entstehen. Aus diesem Grund wird der Zugang der Flüssigkeit zur Oberfläche selbst immer schwieriger. An bestimmten Stellen der Oberfläche treten „trockene“ Flecken auf; ihre Anzahl und Größe nehmen mit zunehmender Oberflächentemperatur kontinuierlich zu. Solche Bereiche sind gewissermaßen vom Wärmeaustausch ausgeschlossen, da die Wärmeabfuhr direkt an den Dampf deutlich weniger intensiv erfolgt. Dies bestimmt den starken Abfall des Wärmeflusses (Abschnitt 3 in Abb. 3.2) und des Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich des Übergangssiederegimes.

Ab einem bestimmten Temperaturabfall wird schließlich die gesamte Heizfläche mit einem kontinuierlichen Dampffilm bedeckt, der die Flüssigkeit von der Oberfläche wegdrückt. Von nun an findet es statt Filmmodus kochend (Abb. 3.1, V). In diesem Fall erfolgt die Wärmeübertragung von der Heizfläche auf die Flüssigkeit durch konvektiven Wärmeaustausch und Strahlung durch den Dampffilm. Die Intensität der Wärmeübertragung im Filmsiedemodus ist recht gering (Abschnitt 4 in Abb. 3.2). Der Dampffilm erfährt Pulsationen; Der darin periodisch angesammelte Dampf bricht in Form großer Blasen ab. Im Moment des Filmsiedens ist die von der Oberfläche abgetragene Wärmelast und dementsprechend die erzeugte Dampfmenge minimal. Dies entspricht Abb. 3,2 Punkte Q kr2, genannt die zweite kritische Wärmestromdichte. Bei atmosphärischem Wasserdruck ist der Zeitpunkt des Beginns des Filmsiedens durch eine Temperaturdifferenz von ≈150 °C, also die Oberflächentemperatur, gekennzeichnet t c beträgt ca. 250°C. Mit zunehmender Temperaturdifferenz wird immer mehr Wärme durch Wärmeaustausch durch Strahlung übertragen.

Alle drei Siedemodi können in umgekehrter Reihenfolge beobachtet werden, wenn beispielsweise ein rotglühendes massives Metallprodukt zum Abschrecken in Wasser getaucht wird. Wasser kocht, zunächst erfolgt die Abkühlung des Körpers relativ langsam (Filmsieden), dann nimmt die Abkühlgeschwindigkeit schnell zu (Übergangsmodus), das Wasser beginnt die Oberfläche periodisch zu benetzen und die höchste Abnahmegeschwindigkeit der Oberflächentemperatur wird erreicht die letzte Stufe der Abkühlung (Blasensieden). In diesem Beispiel erfolgt das Sieden unter instationären Bedingungen im Laufe der Zeit.

In Abb. Abbildung 3.3 zeigt eine Visualisierung der Blasen- und Filmsiedemodi an einem elektrisch beheizten Draht in Wasser.

Reis. 3.3 Visualisierung der Blasen- und Filmsiedemodi an einem elektrisch beheizten Draht: a) - Blasen- und b) Filmsiedemodus.

In der Praxis kommt es auch häufig vor, dass der Oberfläche ein fester Wärmestrom zugeführt wird, d. h. Q= konst. Dies ist beispielsweise typisch für thermische Elektroheizungen, Brennelemente von Kernreaktoren und etwa bei der Strahlungserwärmung einer Oberfläche aus Quellen mit sehr hoher Temperatur. Unter Bedingungen Q= konstante Oberflächentemperatur t c und dementsprechend die Temperaturdifferenz Δ T hängen vom Siedemodus der Flüssigkeit ab. Es stellt sich heraus, dass das Übergangsregime unter solchen Bedingungen der Wärmeversorgung nicht stationär existieren kann. Dadurch erhält der Siedevorgang eine Reihe wichtiger Merkmale. Mit einem allmählichen Anstieg der thermischen Belastung Q Temperaturdifferenz Δ T steigt entsprechend der Linie des Blasensiederegimes in Abb. 3.2, und der Prozess verläuft auf die gleiche Weise wie oben beschrieben. Neue Verhältnisse entstehen, wenn die zugeführte Wärmestromdichte einen Wert erreicht, der der ersten kritischen Wärmestromdichte entspricht Q cr1. Nun, bei jeder geringfügigen (sogar versehentlichen) Erhöhung des Wertes Q Es besteht ein Überschuss zwischen der der Oberfläche zugeführten Wärmemenge und der maximalen Wärmebelastung Q kr1, das in eine siedende Flüssigkeit entnommen werden kann. Dieser Überschuss ( Q-Q cr1) führt zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur, d. h. es beginnt eine instationäre Erwärmung des Wandmaterials. Die Entwicklung des Prozesses erhält Krisencharakter. Im Bruchteil einer Sekunde steigt die Temperatur des Heizflächenmaterials um Hunderte von Grad, und nur wenn die Wand ausreichend feuerfest ist, endet die Krise glücklich in einem neuen stationären Zustand, der dem Filmsiedebereich an einer sehr hohen Oberfläche entspricht Temperatur. In Abb. 3.2 Dieser Krisenübergang vom Blasensiedemodus zum Filmsiedemodus wird herkömmlicherweise durch den Pfeil als „Sprung“ von der Blasensiedekurve zur Filmsiedelinie bei gleicher thermischer Belastung dargestellt Q cr1. Damit einher geht jedoch meist ein Schmelzen und eine Zerstörung der Heizfläche (Burnout).

Das zweite Merkmal besteht darin, dass, wenn eine Krise auftritt und sich ein Filmsiederegime einstellt (die Oberfläche wird nicht zerstört), bei einer Abnahme der thermischen Belastung das Filmsieden aufrechterhalten wird, d. h. entlang des Films findet nun der umgekehrte Prozess statt Siedelinie (Abb. 3.2). Erst beim Erreichen Q kr2-Flüssigkeit beginnt an einzelnen Stellen wieder periodisch die Heizfläche zu erreichen (zu benetzen). Die Wärmeabfuhr nimmt zu und übersteigt die Wärmezufuhr, was zu einer schnellen Abkühlung der Oberfläche führt, die ebenfalls krisenhaften Charakter hat. Es kommt zu einem schnellen Regimewechsel und es kommt zu einem stationären Blasensieden. Dieser umgekehrte Übergang (zweite Krise) in Abb. 3.2 wird auch konventionell durch einen Pfeil als „Sprung“ von der Filmsiedekurve zur Blasensiedelinie bei dargestellt Q = Q cr2.

Also unter Bedingungen eines festen Wertes der Wärmestromdichte Q, der Heizfläche zugeführt, sind beide Übergänge von Blase zu Film und umgekehrt krisenhafter Natur. Sie treten bei kritischen Wärmestromdichten auf Q kr1 und Q kr2 bzw. Unter diesen Bedingungen kann das Übergangssiederegime nicht stabil existieren; es ist instabil.

In der Praxis werden häufig Methoden zur Wärmeabfuhr beim Sieden von Flüssigkeiten verwendet, die sich in Rohren oder Kanälen unterschiedlicher Form bewegen. Somit werden Dampferzeugungsprozesse durch das Sieden des Wassers durchgeführt, das sich in den Kesselrohren bewegt. Durch Strahlung und konvektiven Wärmeaustausch wird der Oberfläche der Rohre Wärme aus den heißen Verbrennungsprodukten des Kraftstoffs zugeführt.

Für den Siedevorgang einer Flüssigkeit, die sich in einem begrenzten Volumen eines Rohrs (Kanals) bewegt, bleiben die oben beschriebenen Bedingungen bestehen, gleichzeitig treten jedoch eine Reihe neuer Merkmale auf.

Vertikales Rohr. Ein Rohr oder Kanal ist ein begrenztes System, in dem es bei der Bewegung einer siedenden Flüssigkeit zu einer kontinuierlichen Zunahme der Dampfphase und einer Abnahme der flüssigen Phase kommt. Dementsprechend ändert sich die hydrodynamische Struktur der Strömung sowohl entlang der Länge als auch des Querschnitts des Rohrs. Auch der Wärmeübergang ändert sich entsprechend.

Es gibt drei Hauptbereiche mit unterschiedlichen Strukturen der Flüssigkeitsströmung entlang der Länge des vertikalen Rohrs, wenn sich die Strömung von unten nach oben bewegt (Abb. 3.4): ICH– Heizbereich (Economizer-Abschnitt, bis zum Rohrabschnitt, wo T s = T n); II– Siedebereich (Verdampfungsabschnitt, von dem Abschnitt, in dem T s = T n, ich<ich n, zu dem Abschnitt, wo T s = T n, ich cm→ich N); III– Bereich, in dem nasser Dampf trocknet.

Der Verdampfungsabschnitt umfasst Bereiche mit Oberflächensieden der gesättigten Flüssigkeit.

In Abb. In Abb. 3.4 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Strömung. Abschnitt 1 entspricht dem Erhitzen einer einphasigen Flüssigkeit auf die Sättigungstemperatur (Economizer-Abschnitt). In Abschnitt 2 kommt es zum Oberflächen-Bläschensieden, bei dem die Wärmeübertragung im Vergleich zu Abschnitt 2 zunimmt. In Abschnitt 3 kommt es zu einem Emulsionsregime, bei dem eine Zweiphasenströmung aus einer Flüssigkeit und darin gleichmäßig verteilten relativ kleinen Blasen besteht, die anschließend verschmelzen zu großen Blasen – Pfropfen entsprechend dem Rohrdurchmesser. Im Pfropfenmodus (Abschnitt 4) bewegt sich Dampf in Form einzelner großer Pfropfenblasen, die durch Schichten einer Dampf-Flüssigkeits-Emulsion getrennt sind. Darüber hinaus bewegt sich in Abschnitt 5 Nassdampf als kontinuierliche Masse im Strömungskern und eine dünne ringförmige Flüssigkeitsschicht bewegt sich an der Rohrwand. Die Dicke dieser Flüssigkeitsschicht nimmt allmählich ab. Dieser Abschnitt entspricht dem ringförmigen Siederegime, das endet, wenn die Flüssigkeit von der Wand verschwindet. In Abschnitt 6 wird der Dampf getrocknet (wodurch der Trockenheitsgrad des Dampfes erhöht wird). Da der Siedevorgang abgeschlossen ist, nimmt die Wärmeübertragung ab. Anschließend erhöht sich aufgrund einer Erhöhung des spezifischen Dampfvolumens die Dampfgeschwindigkeit, was zu einer leichten Erhöhung der Wärmeübertragung führt.

Abb. 3.4 – Strömungsstruktur, wenn Flüssigkeit in einem vertikalen Rohr siedet

Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit bei gegebener q mit, Rohrlänge und Einlasstemperatur führen zu einer Verringerung der Bereiche mit entwickeltem Siedepunkt und einer Vergrößerung der Länge des Economizer-Abschnitts; mit Steigerung q mit Bei einer bestimmten Geschwindigkeit hingegen nimmt die Länge der Abschnitte mit entwickeltem Siedepunkt zu und die Länge des Economizer-Abschnitts ab.

Horizontale und geneigte Rohre. Wenn sich eine Zweiphasenströmung in horizontalen oder leicht geneigten Rohren bewegt, kommt es zusätzlich zu Änderungen in der Struktur der Strömung entlang der Länge zu einer erheblichen Änderung der Struktur entlang des Rohrumfangs. Wenn also die Zirkulationsgeschwindigkeit und der Dampfgehalt in der Strömung niedrig sind, wird eine Trennung der Zweiphasenströmung in eine flüssige Phase, die sich im unteren Teil des Rohrs bewegt, und eine Dampfphase, die sich im oberen Teil des Rohrs bewegt, beobachtet (Abb . 3,5, A). Mit einer weiteren Erhöhung des Dampfgehalts und der Zirkulationsgeschwindigkeit erhält die Grenzfläche zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphase Wellencharakter und die Flüssigkeit benetzt periodisch den oberen Teil des Rohrs mit Wellenbergen. Bei weiterer Erhöhung des Dampfgehalts und der Geschwindigkeit verstärkt sich die Wellenbewegung an der Grenzfläche, was zu einem teilweisen Ausstoß der Flüssigkeit in den Dampfbereich führt. Dadurch erhält die Zweiphasenströmung einen Strömungscharakter, der zunächst einer Pfropfenströmung und dann einer Ringströmung nahekommt.

Reis. 3.5 – Strömungsstruktur, wenn Flüssigkeit in einem horizontalen Rohr siedet.

A– geschichtetes Siederegime; B– Stabmodus; 1 - Dampf; 2 - flüssig.

Im Ringmodus wird die Bewegung einer dünnen Flüssigkeitsschicht entlang des gesamten Rohrumfangs erzeugt, und im Kern der Strömung bewegt sich ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch (Abb. 3.5, B). Allerdings wird in diesem Fall keine vollständige Achsensymmetrie in der Strömungsstruktur beobachtet.

Wenn die Intensität der Wärmezufuhr zu den Rohrwänden ausreichend hoch ist, kann der Siedevorgang auch während der Strömung in einem Rohr auftreten, das nicht auf die Sättigungstemperatur der Flüssigkeit erhitzt wird. Dieser Vorgang tritt auf, wenn die Wandtemperatur ansteigt t cübersteigt die Sättigungstemperatur ts. es bedeckt die Grenzschicht der Flüssigkeit direkt an der Wand. Dampfblasen, die in den kalten Kern der Strömung eindringen, kondensieren schnell. Diese Art des Kochens nennt man mit Unterhitze kochen.

Die Wärmeabfuhr im Blasensiedemodus ist eine der fortschrittlichsten Methoden zur Kühlung der Heizfläche. Es findet breite Anwendung in technischen Geräten.

3.1.2. Wärmeübertragung beim Blasensieden.

Beobachtungen zeigen, dass mit zunehmendem Temperaturdruck Δ T = t c-ts, sowie Druck R die Zahl der aktiven Verdampfungszentren auf der Heizfläche nimmt zu. Dadurch entstehen immer mehr Blasen, wachsen und lösen sich von der Heizfläche. Dadurch kommt es zu einer Verwirbelung und Vermischung der wandnahen Flüssigkeitsgrenzschicht. Während ihres Wachstums auf der Heizfläche nehmen Blasen auch intensiv Wärme aus der Grenzschicht auf. All dies trägt zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei. Im Allgemeinen ist der Prozess des Blasensiedens recht chaotisch.

Untersuchungen zeigen, dass auf technischen Heizflächen die Anzahl der Verdampfungszentren vom Material, der Struktur und der Mikrorauheit der Oberfläche, dem Vorhandensein von Heterogenität in der Zusammensetzung der Oberfläche und dem an der Oberfläche adsorbierten Gas (Luft) abhängt. Verschiedene Ablagerungen, Oxidschichten sowie sonstige Einschlüsse machen sich spürbar bemerkbar.

Beobachtungen zeigen, dass die Verdampfungszentren unter realen Bedingungen in der Regel einzelne Elemente der Oberflächenrauheit und Mikrorauheit (vorzugsweise verschiedene Vertiefungen und Vertiefungen) sind.

Typischerweise ist die Anzahl der Verdampfungszentren auf neuen Oberflächen nach längerem Kochen höher als auf denselben Oberflächen. Dies ist hauptsächlich auf das Vorhandensein von an der Oberfläche adsorbiertem Gas zurückzuführen. Mit der Zeit wird das Gas nach und nach entfernt, es vermischt sich mit dem Dampf in den wachsenden Blasen und wird in den Dampfraum getragen. Der Siedevorgang und die Wärmeübertragung werden in Zeit und Intensität stabilisiert.

Die Bedingungen für die Bildung von Dampfblasen werden stark von der Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf beeinflusst.

Aufgrund der Oberflächenspannung steigt der Dampfdruck innerhalb der Blase R n höher als der Druck der umgebenden Flüssigkeit R Und. Ihr Unterschied wird durch die Laplace-Gleichung bestimmt

wobei σ die Oberflächenspannung ist; R- Radius der Blase.

Die Laplace-Gleichung drückt den Zustand des mechanischen Gleichgewichts aus. Es zeigt, dass die Oberflächenspannung wie eine elastische Hülle den Dampf in einer Blase „komprimiert“ und je kleiner ihr Radius ist, desto stärker ist sie. R.

Die Abhängigkeit des Dampfdrucks in einer Blase von ihrer Größe bringt Besonderheiten für den Zustand des thermischen oder thermodynamischen Gleichgewichts kleiner Blasen mit sich. Der Dampf in der Blase und die Flüssigkeit an ihrer Oberfläche stehen im Gleichgewicht, wenn die Oberfläche der Flüssigkeit eine Temperatur hat, die der Sättigungstemperatur beim Dampfdruck in der Blase entspricht. T S ( R P). Diese Temperatur ist höher als die Sättigungstemperatur bei Außendruck in der Flüssigkeit T S ( R Und). Um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, muss daher die Flüssigkeit um die Blase herum um einen bestimmten Betrag überhitzt werden T S ( R P)- T S ( R Und).

Das nächste Merkmal ist, dass sich dieses Gleichgewicht herausstellt instabil. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit den Gleichgewichtswert leicht überschreitet, verdampft ein Teil der Flüssigkeit in den Blasen und ihr Radius vergrößert sich. In diesem Fall nimmt gemäß der Laplace-Gleichung der Dampfdruck in der Blase ab. Dies wird zu einer erneuten Abweichung vom Gleichgewichtszustand führen. Die Blase wird beginnen, grenzenlos zu wachsen. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit leicht sinkt, kondensiert außerdem ein Teil des Dampfes, die Größe der Blase nimmt ab und der Dampfdruck darin steigt. Dies wird eine weitere Abweichung von den Gleichgewichtsbedingungen nach sich ziehen, nun in die andere Richtung. Dadurch kondensiert die Blase vollständig und verschwindet.

Folglich können in einer überhitzten Flüssigkeit nicht zufällig gebildete kleine Bläschen weiter wachsen, sondern nur solche, deren Radius den Wert überschreitet, der den oben diskutierten Bedingungen des instabilen mechanischen und thermischen Gleichgewichts entspricht. Das Mindestwert

Wenn die Ableitung eine physikalische Eigenschaft einer bestimmten Substanz ist, wird sie durch die Clapeyron-Clausis-Gleichung bestimmt

d. h. sie wird durch andere physikalische Konstanten ausgedrückt: die Wärme des Phasenübergangs R, Wasserdampfdichte ρ p und Flüssigkeiten ρ und absolute Sättigungstemperatur T s.

Gleichung (3-2) zeigt, dass wenn an einzelnen Punkten der Heizfläche Dampfkeime auftreten, dann nur solche, deren Krümmungsradius den Wert überschreitet Rmin. Da mit zunehmendem Δ T Größe Rmin abnimmt, erklärt Gleichung (3-2).

experimentell beobachtete Tatsache einer Zunahme der Anzahl von Verdampfungszentren mit zunehmender Oberflächentemperatur.

Eine Zunahme der Anzahl der Verdampfungszentren mit steigendem Druck geht auch mit einer Abnahme einher Rmin, denn mit zunehmendem Druck steigt der Wert p′ s wächst und σ nimmt ab. Berechnungen zeigen, dass für Wasser, das bei Atmosphärendruck siedet, bei Δ T= 5°C Rmin= 6,7 µm und bei Δ T= 25°C Rmin= 1,3 µm.

Beobachtungen mit Hochgeschwindigkeitsfilmen zeigen, dass bei einem festen Siederegime die Häufigkeit der Bildung von Dampfblasen sowohl an verschiedenen Punkten der Oberfläche als auch im Zeitverlauf nicht gleich ist. Dies verleiht dem Siedevorgang einen komplexen statistischen Charakter. Dementsprechend sind auch die Wachstumsraten und Ablösungsgrößen verschiedener Blasen durch zufällige Abweichungen um bestimmte Durchschnittswerte gekennzeichnet.

Nachdem die Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche. Abreißgröße wird hauptsächlich durch das Zusammenspiel von Schwerkraft, Oberflächenspannung und Trägheit bestimmt. Letzterer Wert stellt eine dynamische Reaktion dar, die in einer Flüssigkeit aufgrund des schnellen Größenwachstums von Blasen auftritt. Diese Kraft verhindert normalerweise, dass die Blasen abplatzen. Darüber hinaus hängt die Art der Blasenbildung und -ablösung maßgeblich davon ab, ob die Flüssigkeit die Oberfläche benetzt oder nicht. Die Benetzungsfähigkeit einer Flüssigkeit wird durch den Kontaktwinkel θ charakterisiert, der zwischen der Wand und der freien Oberfläche der Flüssigkeit gebildet wird. Je größer θ, desto schlechter ist die Benetzungsfähigkeit der Flüssigkeit. Es ist allgemein anerkannt, dass für θ<90° (рис. 3.6, A), benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche, bei θ >90° jedoch nicht. Der Wert des Kontaktwinkels hängt von der Art der Flüssigkeit, dem Material, dem Zustand und der Sauberkeit der Oberfläche ab. Wenn eine kochende Flüssigkeit die Heizfläche benetzt, haben die Dampfblasen einen dünnen Stiel und lösen sich leicht von der Oberfläche (Abb. 3.7, A). Wenn die Flüssigkeit die Oberfläche nicht benetzt, haben die Dampfblasen einen breiten Stiel (Abb. 3.7, B) und lösen sich entlang des Isthmus, oder es kommt zu einer Verdampfung auf der gesamten Oberfläche.

Sieden- Hierbei handelt es sich um einen intensiven Übergang von Flüssigkeit in Dampf, der unter Bildung von Dampfblasen im gesamten Flüssigkeitsvolumen bei einer bestimmten Temperatur auftritt.

Während des Siedens ändert sich die Temperatur der Flüssigkeit und des darüber befindlichen Dampfes nicht. Es bleibt unverändert, bis die gesamte Flüssigkeit verkocht ist. Dies geschieht, weil die gesamte der Flüssigkeit zugeführte Energie dazu verwendet wird, sie in Dampf umzuwandeln.

Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit siedet, nennt man Siedepunkt.

Der Siedepunkt hängt vom Druck ab, der auf die freie Oberfläche der Flüssigkeit ausgeübt wird. Dies wird durch die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur erklärt. Die Dampfblase wächst, bis der Druck des gesättigten Dampfes in ihrem Inneren den Druck in der Flüssigkeit, der sich aus der Summe des Außendrucks und des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule ergibt, leicht übersteigt.

Je größer der äußere Druck, desto mehr Siedetemperatur.

Jeder weiß, dass Wasser bei einer Temperatur von 100 °C kocht. Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass dies nur bei normalem Atmosphärendruck (ca. 101 kPa) der Fall ist. Mit zunehmendem Druck steigt der Siedepunkt von Wasser. In Schnellkochtöpfen werden Lebensmittel beispielsweise unter einem Druck von etwa 200 kPa gegart. Der Siedepunkt von Wasser erreicht 120°C. In Wasser dieser Temperatur läuft der Kochvorgang viel schneller ab als in normal kochendem Wasser. Dies erklärt den Namen „Schnellkochtopf“.

Und umgekehrt senken wir durch die Reduzierung des Außendrucks den Siedepunkt. Beispielsweise kocht Wasser in Berggebieten (in einer Höhe von 3 km, wo der Druck 70 kPa beträgt) bei einer Temperatur von 90 °C. Daher benötigen Bewohner dieser Gebiete, die solches kochendes Wasser verwenden, viel mehr Zeit für die Zubereitung von Speisen als Bewohner der Ebene. Allerdings ist es in der Regel nicht möglich, beispielsweise ein Hühnerei in diesem kochenden Wasser zu kochen, da das Eiweiß bei Temperaturen unter 100 °C nicht gerinnt.

Jede Flüssigkeit hat ihren eigenen Siedepunkt, der vom Sättigungsdampfdruck abhängt. Je höher der Sättigungsdampfdruck ist, desto niedriger ist der Siedepunkt der entsprechenden Flüssigkeit, da bei niedrigeren Temperaturen der Sättigungsdampfdruck dem Atmosphärendruck entspricht. Bei einem Siedepunkt von 100 °C beträgt der Sättigungsdampfdruck von Wasser beispielsweise 101.325 Pa (760 mm Hg) und der Dampfdruck beträgt nur 117 Pa (0,88 mm Hg). Quecksilber siedet bei Normaldruck bei 357 °C.

Verdampfungswärme.

Verdampfungswärme (Verdampfungswärme)- die Wärmemenge, die einem Stoff (bei konstantem Druck und konstanter Temperatur) zugeführt werden muss, um einen flüssigen Stoff vollständig in Dampf umzuwandeln.

Die für die Verdampfung erforderliche (oder bei der Kondensation freigesetzte) Wärmemenge. Um die Wärmemenge zu berechnen Q Um eine beliebige Flüssigkeitsmasse, die am Siedepunkt aufgenommen wurde, in Dampf umzuwandeln, ist die spezifische Verdampfungswärme erforderlich R vom Geist zur Masse M:

Bei der Kondensation von Dampf wird die gleiche Wärmemenge freigesetzt.

Sieden- Hierbei handelt es sich um eine Verdampfung, die gleichzeitig sowohl von der Oberfläche als auch im gesamten Flüssigkeitsvolumen erfolgt. Es besteht darin, dass zahlreiche Blasen aufsteigen und platzen, wodurch ein charakteristisches Brodeln entsteht.

Wie die Erfahrung zeigt, beginnt das Sieden einer Flüssigkeit bei einem gegebenen Außendruck bei einer genau definierten Temperatur, die sich während des Siedevorgangs nicht ändert und nur dann auftreten kann, wenn Energie von außen durch Wärmeaustausch zugeführt wird (Abb. 1). ):

wobei L die spezifische Verdampfungswärme am Siedepunkt ist.

Siedemechanismus: Eine Flüssigkeit enthält immer ein gelöstes Gas, dessen Auflösungsgrad mit steigender Temperatur abnimmt. Darüber hinaus befindet sich an den Gefäßwänden adsorbiertes Gas. Wenn die Flüssigkeit von unten erhitzt wird (Abb. 2), beginnt Gas in Form von Blasen an den Gefäßwänden freizusetzen. In diesen Blasen verdunstet Flüssigkeit. Daher enthalten sie neben Luft auch gesättigten Dampf, dessen Druck mit steigender Temperatur schnell ansteigt und das Volumen der Blasen zunimmt, wodurch die auf sie wirkenden Archimedes-Kräfte zunehmen. Wenn die Auftriebskraft größer wird als die Schwerkraft der Blase, beginnt sie zu schweben. Bis die Flüssigkeit jedoch gleichmäßig erhitzt ist, nimmt das Volumen der Blase beim Aufsteigen ab (der gesättigte Dampfdruck nimmt mit abnehmender Temperatur ab) und bevor sie die freie Oberfläche erreichen, verschwinden die Blasen (kollabieren) (Abb. 2, a), was Deshalb hören wir vor dem Kochen ein charakteristisches Geräusch. Wenn sich die Temperatur der Flüssigkeit angleicht, nimmt das Volumen der Blase beim Aufsteigen zu, da sich der Sättigungsdampfdruck nicht ändert, und der äußere Druck auf die Blase, der die Summe des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeit über der Blase ist und der atmosphärische Druck nimmt ab. Die Blase erreicht die freie Oberfläche der Flüssigkeit, platzt und es tritt gesättigter Dampf aus (Abb. 2, b) – die Flüssigkeit kocht. Der Sättigungsdampfdruck in den Blasen entspricht nahezu dem Außendruck.

Man nennt die Temperatur, bei der der Sättigungsdampfdruck einer Flüssigkeit gleich dem Außendruck an ihrer freien Oberfläche ist Siedepunkt Flüssigkeiten.

Da der Sättigungsdampfdruck mit steigender Temperatur zunimmt und beim Sieden gleich dem Außendruck sein muss, steigt mit steigendem Außendruck der Siedepunkt.

Der Siedepunkt hängt auch vom Vorhandensein von Verunreinigungen ab und steigt normalerweise mit zunehmender Konzentration der Verunreinigungen an.

Befreit man die Flüssigkeit zunächst von dem darin gelösten Gas, dann kann es zu einer Überhitzung, d.h. zu einer Überhitzung kommen. über den Siedepunkt erhitzen. Dies ist ein instabiler Flüssigkeitszustand. Kleine Stöße genügen und die Flüssigkeit kocht, ihre Temperatur sinkt sofort bis zum Siedepunkt.

Aggregatzustände

Eisendampf und feste Luft

Ist das nicht eine seltsame Wortkombination? Das ist jedoch kein Unsinn: Sowohl Eisendampf als auch feste Luft kommen in der Natur vor, jedoch nicht unter normalen Bedingungen.

Über welche Bedingungen sprechen wir? Der Zustand eines Stoffes wird durch zwei Faktoren bestimmt: Temperatur und Druck.

Unser Leben findet unter relativ wenig wechselnden Bedingungen statt. Der Luftdruck schwankt innerhalb weniger Prozent um eine Atmosphäre; die Lufttemperatur liegt beispielsweise in der Region Moskau zwischen -30 und +30°C; in der absoluten Temperaturskala, in der die tiefstmögliche Temperatur (-273°C) als Null angenommen wird; Dieses Intervall wird weniger beeindruckend aussehen: 240-300 K, was ebenfalls nur ±10 % des Durchschnittswerts entspricht.

Es ist ganz natürlich, dass wir an diese normalen Bedingungen gewöhnt sind und deshalb, wenn wir einfache Wahrheiten sagen wie: „Eisen ist ein Feststoff, Luft ist ein Gas“ usw., vergessen wir hinzuzufügen: „unter normalen Bedingungen“.

Wenn Sie Eisen erhitzen, schmilzt es zunächst und verdampft dann. Wenn Luft abgekühlt wird, wird sie zunächst flüssig und erstarrt dann.

Selbst wenn der Leser noch nie mit Eisendampf oder fester Luft in Berührung gekommen ist, wird er wahrscheinlich leicht glauben, dass jeder Stoff durch Änderung der Temperatur in den festen, flüssigen und gasförmigen Zustand oder, wie man auch sagt, in den festen, flüssigen Zustand gelangen kann oder gasförmige Phasen.

Daran kann man leicht glauben, denn jeder hat einen Stoff beobachtet, ohne den Leben auf der Erde unmöglich wäre, sowohl in Form eines Gases, als Flüssigkeit als auch in Form eines Feststoffs. Die Rede ist natürlich von Wasser.

Unter welchen Bedingungen finden Umwandlungen von Materie von einem Zustand in einen anderen statt?

Sieden

Wenn wir das Thermometer in das Wasser senken, das in den Wasserkocher gegossen wird, den Elektroherd einschalten und den Quecksilbergehalt des Thermometers überwachen, sehen wir Folgendes: Fast sofort steigt der Quecksilbergehalt an. Jetzt sind es 90, 95 und schließlich 100°C. Das Wasser kocht und gleichzeitig stoppt der Anstieg des Quecksilbers. Das Wasser kocht seit vielen Minuten, aber der Quecksilbergehalt hat sich nicht verändert. Bis das gesamte Wasser verdampft ist, ändert sich die Temperatur nicht (Abb. 4.1).

Reis. 4.1

Wohin geht die Wärme, wenn sich die Wassertemperatur nicht ändert? Die Antwort liegt auf der Hand. Der Prozess der Umwandlung von Wasser in Dampf erfordert Energie.

Vergleichen wir die Energie eines Gramms Wasser und eines daraus gebildeten Gramms Dampf. Dampfmoleküle sind weiter voneinander entfernt als Wassermoleküle. Es ist klar, dass sich die potentielle Energie von Wasser aus diesem Grund von der potentiellen Energie von Dampf unterscheiden wird.

Die potenzielle Energie, die Teilchen anzieht, nimmt ab, wenn sie sich einander nähern. Daher ist die Energie von Dampf größer als die Energie von Wasser, und die Umwandlung von Wasser in Dampf erfordert Energie. Diese überschüssige Energie wird vom Elektroherd auf das kochende Wasser im Wasserkocher übertragen.

Energie, die benötigt wird, um Wasser in Dampf umzuwandeln; Verdampfungswärme genannt. Um 1 g Wasser in Dampf umzuwandeln, sind 539 cal erforderlich (das ist der Wert für eine Temperatur von 100 °C).

Wenn 539 kcal pro 1 g verbraucht werden, dann werden 18*539 = 9700 kcal pro 1 Mol Wasser verbraucht. Diese Wärmemenge muss für das Aufbrechen intermolekularer Bindungen aufgewendet werden.

Sie können diese Zahl mit dem Arbeitsaufwand vergleichen, der zum Aufbrechen intramolekularer Bindungen erforderlich ist. Um 1 Mol Wasserdampf in Atome zu spalten, braucht es etwa 220.000 cal, also 25-mal mehr Energie. Dies beweist direkt die Schwäche der Kräfte, die Moleküle zusammenhalten, im Vergleich zu den Kräften, die Atome zu einem Molekül zusammenziehen.

Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck

Der Siedepunkt von Wasser liegt bei 100°C; Man könnte meinen, dass dies eine inhärente Eigenschaft von Wasser ist, dass Wasser, egal wo und unter welchen Bedingungen es sich befindet, immer bei 100°C siedet.

Dies ist jedoch nicht der Fall, und die Bewohner der Hochgebirgsdörfer sind sich dessen bewusst.

Nahe der Spitze des Elbrus gibt es ein Touristenhaus und eine wissenschaftliche Station. Anfänger sind manchmal überrascht, „wie schwierig es ist, ein Ei in kochendem Wasser zu kochen“ oder „warum kochendes Wasser nicht brennt“. Unter diesen Bedingungen wird ihnen erzählt, dass das Wasser auf dem Gipfel des Elbrus bereits bei 82°C kocht.

Was ist los? Welcher physikalische Faktor stört das Siedephänomen? Welche Bedeutung hat die Höhe über dem Meeresspiegel?

Dieser physikalische Faktor ist der Druck, der auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkt. Sie müssen nicht auf den Gipfel eines Berges klettern, um die Wahrheit dessen zu überprüfen, was gesagt wurde.

Indem Sie erhitztes Wasser unter eine Glocke stellen und von dort Luft abpumpen bzw. abpumpen, können Sie dafür sorgen, dass der Siedepunkt bei steigendem Druck steigt und bei sinkendem Druck sinkt.

Wasser siedet bei 100°C nur bei einem bestimmten Druck – 760 mm Hg. Kunst. (oder 1 atm).

Die Siedepunkt-Druck-Kurve ist in Abb. dargestellt. 4.2. An der Spitze des Elbrus beträgt der Druck 0,5 atm, und dieser Druck entspricht einem Siedepunkt von 82 °C.

Reis. 4.2

Aber Wasser kocht bei 10-15 mm Hg. Kunst. Art. können Sie sich bei heißem Wetter abkühlen. Bei diesem Druck sinkt der Siedepunkt auf 10–15 °C.

Sie können sogar „kochendes Wasser“ erhalten, das die Temperatur von eiskaltem Wasser hat. Dazu müssen Sie den Druck auf 4,6 mm Hg reduzieren. Kunst.

Ein interessantes Bild ergibt sich, wenn man ein offenes Gefäß mit Wasser unter die Glocke stellt und die Luft abpumpt. Durch das Pumpen kocht das Wasser, aber zum Kochen ist Wärme erforderlich. Es gibt keinen Entnahmeort und das Wasser muss seine Energie abgeben. Die Temperatur des kochenden Wassers beginnt zu sinken, aber mit fortschreitendem Pumpen sinkt auch der Druck. Daher hört das Kochen nicht auf, das Wasser kühlt weiter ab und gefriert schließlich.

Dieses Sieden von kaltem Wasser tritt nicht nur beim Abpumpen von Luft auf. Wenn sich beispielsweise der Propeller eines Schiffes dreht, sinkt der Druck in einer sich schnell bewegenden Wasserschicht in der Nähe einer Metalloberfläche stark und das Wasser in dieser Schicht kocht, das heißt, es entstehen zahlreiche dampfgefüllte Blasen darin. Dieses Phänomen nennt man Kavitation (vom lateinischen Wort cavitas – Hohlraum).

Durch die Reduzierung des Drucks senken wir den Siedepunkt. Und indem man es erhöht? Eine Grafik wie unsere beantwortet diese Frage. Ein Druck von 15 atm kann das Sieden von Wasser verzögern, es beginnt erst bei 200 °C und ein Druck von 80 atm lässt Wasser erst bei 300 °C sieden.

Ein bestimmter Außendruck entspricht also einem bestimmten Siedepunkt. Aber diese Aussage lässt sich „umkehren“, indem man sagt: Jeder Siedepunkt von Wasser entspricht seinem eigenen spezifischen Druck. Dieser Druck wird Dampfdruck genannt.

Die Kurve, die den Siedepunkt als Funktion des Drucks darstellt, ist auch eine Kurve des Dampfdrucks als Funktion der Temperatur.

Die in einem Siedepunktdiagramm (oder einem Dampfdruckdiagramm) aufgetragenen Zahlen zeigen, dass sich der Dampfdruck sehr stark mit der Temperatur ändert. Bei 0 °C (also 273 K) beträgt der Dampfdruck 4,6 mmHg. Art., bei 100°C (373 K) entspricht es 760 mm Hg. Art., d.h. erhöht sich um das 165-fache. Wenn sich die Temperatur verdoppelt (von 0 °C, also 273 K, auf 273 °C, also 546 K), steigt der Dampfdruck von 4,6 mm Hg. Kunst. fast bis zu 60 atm, also etwa 10.000 Mal.

Daher ändert sich der Siedepunkt im Gegenteil eher langsam mit dem Druck. Wenn sich der Druck zweimal von 0,5 atm auf 1 atm ändert, steigt der Siedepunkt von 82 °C (355 K) auf 100 °C (373 K) und wenn sich der Druck von 1 auf 2 atm verdoppelt, von 100 °C (373 K). ) auf 120°C (393 K).

Die gleiche Kurve, die wir jetzt betrachten, steuert auch die Kondensation (Kondensation) von Dampf zu Wasser.

Dampf kann entweder durch Kompression oder Kühlung in Wasser umgewandelt werden.

Sowohl beim Sieden als auch bei der Kondensation wird sich der Punkt erst dann von der Kurve entfernen, wenn die Umwandlung von Dampf in Wasser bzw. Wasser in Dampf abgeschlossen ist. Das lässt sich auch so formulieren: Unter den Bedingungen unserer Kurve und nur unter diesen Bedingungen ist die Koexistenz von Flüssigkeit und Dampf möglich. Wenn Sie keine Wärme zuführen oder abführen, bleiben die Dampf- und Flüssigkeitsmengen in einem geschlossenen Gefäß unverändert. Solcher Dampf und diese Flüssigkeit sollen im Gleichgewicht sein, und Dampf, der mit seiner Flüssigkeit im Gleichgewicht ist, wird als gesättigt bezeichnet.

Die Siede- und Kondensationskurve hat, wie wir sehen, eine andere Bedeutung: Sie ist die Gleichgewichtskurve von Flüssigkeit und Dampf. Die Gleichgewichtskurve teilt das Diagrammfeld in zwei Teile. Links und oben (in Richtung höherer Temperaturen und niedrigerer Drücke) befindet sich der Bereich des stabilen Dampfzustands. Rechts und unten befindet sich der Bereich des stabilen Zustands der Flüssigkeit.

Die Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtskurve, also die Kurve der Abhängigkeit des Siedepunkts vom Druck bzw. Dampfdruck von der Temperatur, ist für alle Flüssigkeiten annähernd gleich. In manchen Fällen kann die Änderung etwas abrupter sein, in anderen etwas langsamer, aber der Dampfdruck steigt mit steigender Temperatur immer schnell an.

Die Wörter „Gas“ und „Dampf“ haben wir schon oft verwendet. Diese beiden Wörter sind ziemlich gleich. Wir können sagen: Wassergas ist Wasserdampf, Sauerstoffgas ist Sauerstoffflüssigkeitsdampf. Dennoch hat sich bei der Verwendung dieser beiden Wörter eine gewisse Gewohnheit entwickelt. Da wir an einen bestimmten, relativ kleinen Temperaturbereich gewöhnt sind, verwenden wir den Begriff „Gas“ normalerweise für Stoffe, deren Dampfelastizität bei normalen Temperaturen höher ist als der Atmosphärendruck. Im Gegenteil spricht man von Dampf, wenn der Stoff bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in flüssiger Form stabiler ist.

Verdunstung

Das Kochen ist ein schneller Vorgang, und schon nach kurzer Zeit bleibt vom kochenden Wasser keine Spur mehr übrig; es verwandelt sich in Dampf.

Aber es gibt noch ein anderes Phänomen, bei dem Wasser oder andere Flüssigkeiten in Dampf umgewandelt werden – das ist die Verdunstung. Die Verdampfung erfolgt bei jeder Temperatur, unabhängig vom Druck, der unter normalen Bedingungen immer bei etwa 760 mm Hg liegt. Kunst. Das Verdampfen ist im Gegensatz zum Kochen ein sehr langsamer Prozess. Eine Flasche Eau de Cologne, die wir vergessen haben, zu verschließen, wird in ein paar Tagen leer sein; o Die Untertasse mit Wasser hält länger, aber früher oder später wird sie trocken sein.

Bei der Verdunstung spielt Luft eine große Rolle. Es allein verhindert nicht die Verdunstung von Wasser. Sobald wir die Oberfläche der Flüssigkeit öffnen, beginnen Wassermoleküle, in die nächstgelegene Luftschicht zu wandern.

Die Dampfdichte in dieser Schicht wird schnell ansteigen; Nach kurzer Zeit entspricht der Dampfdruck der für die Temperatur des Mediums charakteristischen Elastizität. In diesem Fall ist der Dampfdruck genau der gleiche wie unter Luftabschluss.

Der Übergang von Dampf in Luft bedeutet natürlich keine Druckerhöhung. Der Gesamtdruck im Raum über der Wasseroberfläche erhöht sich nicht, nur der Anteil dieses Drucks, der vom Dampf übernommen wird, nimmt zu und dementsprechend sinkt der Anteil der Luft, der vom Dampf verdrängt wird.

Über dem Wasser befindet sich mit Luft vermischter Dampf, darüber liegen Luftschichten ohne Dampf. Sie werden sich unweigerlich vermischen. Wasserdampf bewegt sich kontinuierlich in höhere Schichten und an seiner Stelle dringt Luft, die keine Wassermoleküle enthält, in die tiefere Schicht ein. Daher werden in der dem Wasser am nächsten gelegenen Schicht immer Plätze für neue Wassermoleküle frei. Das Wasser verdunstet kontinuierlich, wobei der Wasserdampfdruck an der Oberfläche gleich der Elastizität bleibt, und der Prozess wird fortgesetzt, bis das Wasser vollständig verdunstet ist.

Wir begannen mit dem Beispiel von Eau de Cologne und Wasser. Es ist bekannt, dass sie unterschiedlich schnell verdunsten. Äther verdunstet extrem schnell, Alkohol verdunstet ziemlich schnell und Wasser viel langsamer. Wir werden sofort verstehen, was hier vor sich geht, wenn wir im Nachschlagewerk die Werte des Dampfdrucks dieser Flüssigkeiten beispielsweise bei Raumtemperatur finden. Hier sind die Zahlen: Äther - 437 mm Hg. Kunst. Art., Alkohol - 44,5 mm Hg. Kunst. Kunst. und Wasser - 17,5 mm Hg. Kunst.

Je größer die Elastizität, desto mehr Dampf befindet sich in der angrenzenden Luftschicht und desto schneller verdunstet die Flüssigkeit. Wir wissen, dass der Dampfdruck mit steigender Temperatur zunimmt. Es ist klar, warum die Verdunstungsrate mit der Erwärmung zunimmt.

Die Verdunstungsrate kann auf andere Weise beeinflusst werden. Wenn wir die Verdunstung unterstützen wollen, müssen wir den Dampf schnell aus der Flüssigkeit entfernen, also die Durchmischung der Luft beschleunigen. Deshalb wird die Verdunstung durch das Einblasen von Flüssigkeit stark beschleunigt. Obwohl Wasser einen relativ geringen Dampfdruck hat, verschwindet es recht schnell, wenn die Untertasse in den Wind gestellt wird.

Es ist daher verständlich, warum einem Schwimmer, der aus dem Wasser kommt, im Wind kalt wird. Der Wind beschleunigt die Vermischung von Luft mit Dampf und damit die Verdunstung, und der menschliche Körper ist gezwungen, Wärme zur Verdunstung abzugeben.

Das Wohlbefinden eines Menschen hängt davon ab, ob sich viel oder wenig Wasserdampf in der Luft befindet. Sowohl trockene als auch feuchte Luft sind unangenehm. Als normal gilt eine Luftfeuchtigkeit von 60 %. Dies bedeutet, dass die Dichte von Wasserdampf 60 % der Dichte von gesättigtem Wasserdampf bei derselben Temperatur beträgt.

Wenn feuchte Luft abgekühlt wird, entspricht der Wasserdampfdruck darin schließlich dem Dampfdruck bei dieser Temperatur. Der Dampf wird gesättigt und beginnt bei weiterem Absinken der Temperatur zu Wasser zu kondensieren. Genau aufgrund dieses Phänomens entsteht der Morgentau, der das Gras und die Blätter befeuchtet.

Bei 20 °C beträgt die Dichte von gesättigtem Wasserdampf etwa 0,00002 g/cm 3 . Wir fühlen uns wohl, wenn 60 % dieser Menge Wasserdampf in der Luft sind – also nur etwas mehr als ein Hunderttausendstel Gramm pro 1 cm 3.

Obwohl dieser Wert gering ist, führt er zu beeindruckenden Dampfmengen im Raum. Es ist nicht schwer zu berechnen, dass in einen mittelgroßen Raum mit einer Fläche von 12 m2 und einer Höhe von 3 m etwa ein Kilogramm Wasser in Form von Sattdampf „passt“.

Das heißt, wenn ein solcher Raum dicht verschlossen ist und ein offenes Fass mit Wasser aufgestellt wird, verdunstet ein Liter Wasser, egal wie groß das Fassungsvermögen des Fasses ist.

Es ist interessant, dieses Ergebnis für Wasser mit den entsprechenden Zahlen für Quecksilber zu vergleichen. Bei der gleichen Temperatur von 20 °C beträgt die Dichte von gesättigtem Quecksilberdampf 10 -8 g/cm 3 .

In den gerade besprochenen Raum passt nicht mehr als 1 g Quecksilberdampf.

Quecksilberdampf ist übrigens sehr giftig und 1 g Quecksilberdampf kann die Gesundheit eines jeden Menschen ernsthaft schädigen. Bei der Arbeit mit Quecksilber muss darauf geachtet werden, dass auch der kleinste Tropfen Quecksilber nicht ausläuft.

Kritische Temperatur

Wie verwandelt man Gas in Flüssigkeit? Die Siedepunkttabelle beantwortet diese Frage. Sie können ein Gas in eine Flüssigkeit umwandeln, indem Sie entweder die Temperatur senken oder den Druck erhöhen.

Im 19. Jahrhundert schien es eine einfachere Aufgabe zu sein, den Druck zu erhöhen als die Temperatur zu senken. Zu Beginn dieses Jahrhunderts gelang es dem großen englischen Physiker Michael Farada, Gase auf Dampfdruckwerte zu komprimieren und auf diese Weise viele Gase (Chlor, Kohlendioxid usw.) in Flüssigkeit umzuwandeln.

Einige Gase – Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff – konnten jedoch nicht verflüssigt werden. Egal wie stark der Druck erhöht wurde, sie wurden nicht flüssig. Man könnte meinen, dass Sauerstoff und andere Gase nicht flüssig sein können. Sie wurden als echte oder permanente Gase klassifiziert.

Tatsächlich waren die Misserfolge auf mangelndes Verständnis eines wichtigen Umstands zurückzuführen.

Betrachten wir Flüssigkeit und Dampf im Gleichgewicht und denken wir darüber nach, was mit ihnen passiert, wenn der Siedepunkt steigt und natürlich auch der entsprechende Druck ansteigt. Mit anderen Worten: Stellen Sie sich vor, dass sich ein Punkt im Siedediagramm entlang der Kurve nach oben bewegt. Es ist klar, dass sich eine Flüssigkeit mit steigender Temperatur ausdehnt und ihre Dichte abnimmt. Erhöht sich bei Dampf der Siedepunkt? Natürlich trägt es zu seiner Ausdehnung bei, aber wie bereits erwähnt, steigt der Sättigungsdampfdruck viel schneller an als der Siedepunkt. Daher sinkt die Dampfdichte nicht, sondern steigt im Gegenteil mit steigender Siedetemperatur schnell an.

Da die Dichte der Flüssigkeit abnimmt und die Dichte des Dampfes zunimmt, erreichen wir beim „Aufsteigen“ entlang der Siedekurve zwangsläufig einen Punkt, an dem die Dichten von Flüssigkeit und Dampf gleich sind (Abb. 4.3).

Reis. 4.3

An diesem bemerkenswerten Punkt, dem sogenannten kritischen Punkt, endet die Siedekurve. Da alle Unterschiede zwischen Gas und Flüssigkeit mit dem Dichteunterschied verbunden sind, werden am kritischen Punkt die Eigenschaften von Flüssigkeit und Gas gleich. Jeder Stoff hat seine eigene kritische Temperatur und seinen eigenen kritischen Druck. Für Wasser entspricht der kritische Punkt also einer Temperatur von 374 °C und einem Druck von 218,5 atm.

Wenn Sie ein Gas verdichten, dessen Temperatur unter der kritischen Temperatur liegt, wird der Vorgang seiner Verdichtung durch einen Pfeil dargestellt, der die Siedekurve kreuzt (Abb. 4.4). Das bedeutet, dass das Gas in dem Moment, in dem es einen Druck erreicht, der dem Dampfdruck entspricht (der Punkt, an dem der Pfeil die Siedekurve schneidet), beginnt, zu einer Flüssigkeit zu kondensieren. Wenn unser Gefäß transparent wäre, würden wir in diesem Moment den Beginn der Bildung einer Flüssigkeitsschicht am Boden des Gefäßes sehen. Bei konstantem Druck wächst die Flüssigkeitsschicht, bis schließlich das gesamte Gas flüssig wird. Eine weitere Kompression erfordert eine Druckerhöhung.

Reis. 4.4

Ganz anders verhält es sich bei der Verdichtung eines Gases, dessen Temperatur über der kritischen Temperatur liegt. Der Kompressionsvorgang kann wiederum als Pfeil dargestellt werden, der von unten nach oben verläuft. Aber jetzt kreuzt dieser Pfeil die Siedekurve nicht. Das bedeutet, dass der Dampf beim Komprimieren nicht kondensiert, sondern nur kontinuierlich verdichtet wird.

Bei Temperaturen über der kritischen Temperatur ist die Existenz von Flüssigkeit und Gas, die durch eine Grenzfläche getrennt sind, unmöglich: Wenn sie auf eine beliebige Dichte komprimiert werden, befindet sich unter dem Kolben eine homogene Substanz, und es ist schwer zu sagen, wann sie als Gas bezeichnet werden kann wenn eine Flüssigkeit.

Das Vorhandensein eines kritischen Punktes zeigt, dass es keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand gibt. Auf den ersten Blick könnte es so aussehen, als gäbe es keinen solchen grundlegenden Unterschied, nur wenn es um Temperaturen über dem kritischen Wert geht. Dies ist jedoch nicht der Fall. Das Vorhandensein eines kritischen Punktes weist auf die Möglichkeit hin, eine Flüssigkeit – eine echte Flüssigkeit, die in ein Glas gegossen werden kann – in einen gasförmigen Zustand zu überführen, ohne dass es zu einem Sieden kommt.

Dieser Transformationspfad ist in Abb. dargestellt. 4.4. Ein Kreuz markiert eine bekannte Flüssigkeit. Wenn Sie den Druck etwas senken (Pfeil nach unten), kocht es, und wenn Sie die Temperatur etwas erhöhen (Pfeil nach rechts), kocht es auch. Aber wir werden etwas ganz anderes machen: Wir werden die Flüssigkeit sehr stark komprimieren, auf einen Druck über dem kritischen Wert. Der Punkt, der den Zustand der Flüssigkeit darstellt, verläuft vertikal nach oben. Anschließend erhitzen wir die Flüssigkeit – dieser Vorgang wird durch eine horizontale Linie dargestellt. Nachdem wir uns nun rechts von der kritischen Temperatur befinden, senken wir den Druck auf den ursprünglichen Wert. Reduziert man nun die Temperatur, erhält man echten Dampf, der auf einfacherem und kürzerem Weg aus dieser Flüssigkeit gewonnen werden kann.

Somit ist es jederzeit möglich, durch Änderung von Druck und Temperatur unter Umgehung des kritischen Punktes Dampf durch kontinuierliche Übertragung von Flüssigkeit oder Flüssigkeit aus Dampf zu gewinnen. Dieser kontinuierliche Übergang erfordert kein Sieden oder Kondensieren.

Frühe Versuche, Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff zu verflüssigen, waren erfolglos, da die Existenz einer kritischen Temperatur nicht bekannt war. Diese Gase haben sehr niedrige kritische Temperaturen: Stickstoff -147 °C, Sauerstoff -119 °C, Wasserstoff -240 °C oder 33 K. Der Rekordhalter ist Helium, seine kritische Temperatur beträgt 4,3 K. Nur diese Gase können in Flüssigkeit umgewandelt werden auf eine Weise verwendet werden: Sie müssen ihre Temperatur unter den angegebenen Wert senken.

Niedrige Temperaturen empfangen

Eine deutliche Temperatursenkung kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Aber die Idee aller Methoden ist die gleiche: Wir müssen den Körper, den wir abkühlen wollen, dazu zwingen, seine innere Energie zu verbrauchen.

Wie macht man das? Eine Möglichkeit besteht darin, die Flüssigkeit ohne Wärmezufuhr von außen zum Kochen zu bringen. Dazu müssen wir, wie wir wissen, den Druck reduzieren – auf den Wert des Dampfdrucks. Die beim Sieden aufgewendete Wärme wird der Flüssigkeit entliehen und die Temperatur der Flüssigkeit und des Dampfes sinkt, und damit sinkt der Dampfdruck. Damit das Sieden nicht aufhört und schneller abläuft, muss daher kontinuierlich Luft aus dem Gefäß mit der Flüssigkeit abgepumpt werden.

Allerdings stößt der Temperaturabfall bei diesem Vorgang an Grenzen: Die Elastizität des Dampfes verliert mit der Zeit völlig seine Bedeutung und selbst die leistungsstärksten Pumpen können nicht den erforderlichen Druck erzeugen.

Um die Temperatur weiter zu senken, ist es möglich, das Gas durch Abkühlung mit der entstehenden Flüssigkeit in eine Flüssigkeit mit niedrigerem Siedepunkt umzuwandeln.

Nun kann der Pumpvorgang mit der zweiten Substanz wiederholt werden und so niedrigere Temperaturen erzielt werden. Bei Bedarf kann diese „Kaskaden“-Methode zur Erzielung niedriger Temperaturen erweitert werden.

Genau das haben sie Ende des letzten Jahrhunderts getan; Die Verflüssigung von Gasen erfolgte stufenweise: Ethylen, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff – Stoffe mit Siedepunkten von –103, –183, –196 und –253 °C – wurden nacheinander in Flüssigkeit umgewandelt. Mit flüssigem Wasserstoff erhält man die am niedrigsten siedende Flüssigkeit – Helium (-269°C). Der Nachbar auf der linken Seite half dabei, den Nachbarn auf der rechten Seite zu erreichen.

Die Kaskadenkühlungsmethode ist fast hundert Jahre alt. Im Jahr 1877 wurde mit dieser Methode flüssige Luft gewonnen.

1884-1885 Erstmals wurde flüssiger Wasserstoff hergestellt. Schließlich, weitere zwanzig Jahre später, wurde die letzte Festung eingenommen: 1908 verwandelte Kamerlingh Onnes in der Stadt Leiden in Holland Helium in Flüssigkeit – eine Substanz mit der niedrigsten kritischen Temperatur. Der 70. Jahrestag dieser wichtigen wissenschaftlichen Errungenschaft wurde kürzlich gefeiert.

Das Leidener Labor war viele Jahre lang das einzige „Niedertemperatur“-Labor. Mittlerweile gibt es in allen Ländern Dutzende solcher Laboratorien, ganz zu schweigen von Fabriken, die flüssige Luft, Stickstoff, Sauerstoff und Helium für technische Zwecke herstellen.

Die Kaskadenmethode zur Erzielung niedriger Temperaturen wird heute nur noch selten verwendet. In technischen Anlagen zur Temperaturabsenkung wird eine andere Methode eingesetzt, um die innere Energie des Gases zu reduzieren: Sie zwingen das Gas dazu, sich schnell auszudehnen und mit innerer Energie Arbeit zu leisten.

Wenn beispielsweise auf mehrere Atmosphären komprimierte Luft in einen Expander gegeben wird, kühlt sich die Luft bei der Bewegung des Kolbens oder der Drehung der Turbine so stark ab, dass sie flüssig wird. Wenn Kohlendioxid schnell aus einem Zylinder freigesetzt wird, kühlt es so stark ab, dass es sich im Handumdrehen in „Eis“ verwandelt.

Flüssiggase werden in der Technik häufig eingesetzt. Flüssiger Sauerstoff wird in der Sprengtechnik als Bestandteil des Treibstoffgemisches in Strahltriebwerken eingesetzt.

Luftverflüssigung wird in der Technik zur Trennung der Gase eingesetzt, aus denen Luft besteht.

In verschiedenen Bereichen der Technik ist es erforderlich, bei der Temperatur flüssiger Luft zu arbeiten. Für viele physikalische Studien ist diese Temperatur jedoch nicht niedrig genug. Wenn wir die Grad Celsius in eine absolute Skala umrechnen, werden wir tatsächlich feststellen, dass die Temperatur flüssiger Luft etwa 1/3 der Raumtemperatur beträgt. Für die Physik viel interessanter sind „Wasserstoff“-Temperaturen, also Temperaturen in der Größenordnung von 14-20 K, und insbesondere „Helium“-Temperaturen. Die niedrigste Temperatur, die beim Pumpen von flüssigem Helium erreicht wird, beträgt 0,7 K.

Physikern ist es gelungen, dem absoluten Nullpunkt viel näher zu kommen. Mittlerweile wurden Temperaturen gemessen, die den absoluten Nullpunkt nur um wenige Tausendstel Grad überschreiten. Diese extrem niedrigen Temperaturen werden jedoch auf andere Weise erreicht als die, die wir oben beschrieben haben.

In den letzten Jahren hat die Tieftemperaturphysik einen speziellen Industriezweig hervorgebracht, der sich der Herstellung von Geräten widmet, die es ermöglichen, große Volumina bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten; Es wurden Stromkabel entwickelt, deren leitfähige Stromschienen bei Temperaturen unter 10 K arbeiten.

Unterkühlter Dampf und überhitzte Flüssigkeit

Wenn der Dampf seinen Siedepunkt überschreitet, muss er kondensieren und sich in eine Flüssigkeit verwandeln. Jedoch,; Es stellt sich heraus, dass, wenn der Dampf nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt und wenn der Dampf sehr rein ist, es möglich ist, unterkühlten oder „übersättigten Dampf“ zu erhalten – Dampf, der schon längst flüssig sein sollte.

Übersättigter Dampf ist sehr instabil. Manchmal genügt ein Stoß oder ein in den Weltraum geschleudertes Dampfkorn, damit die verzögerte Kondensation einsetzt.

Die Erfahrung zeigt, dass die Eindickung von Dampfmolekülen durch das Einbringen kleiner Fremdpartikel in den Dampf erheblich erleichtert wird. In staubiger Luft kommt es nicht zu einer Übersättigung mit Wasserdampf. Durch Rauchwolken kann es zu Kondensation kommen. Schließlich besteht Rauch aus kleinen festen Partikeln. Sobald diese Partikel im Dampf sind, sammeln sie Moleküle um sich herum und werden zu Kondensationszentren.

Obwohl Dampf also instabil ist, kann er in einem Temperaturbereich existieren, der für die „Lebensdauer“ einer Flüssigkeit geeignet ist.

Kann eine Flüssigkeit unter den gleichen Bedingungen im Dampfbereich „leben“? Mit anderen Worten: Ist es möglich, eine Flüssigkeit zu überhitzen?

Es stellt sich heraus, dass es möglich ist. Dazu müssen Sie sicherstellen, dass sich die Flüssigkeitsmoleküle nicht von der Oberfläche lösen. Eine radikale Abhilfe besteht darin, die freie Oberfläche zu eliminieren, das heißt, die Flüssigkeit in ein Gefäß zu geben, wo sie von allen Seiten durch feste Wände komprimiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine Überhitzung in der Größenordnung von mehreren Grad zu erreichen, d. h. den Punkt, der den Zustand von Flüssigkeiten darstellt, nach rechts von der Siedekurve zu verschieben (Abb. 4.4).

Überhitzung ist eine Verschiebung der Flüssigkeit in den Dampfbereich, sodass eine Überhitzung der Flüssigkeit sowohl durch Wärmezufuhr als auch durch Druckreduzierung erreicht werden kann.

Mit der letzten Methode können erstaunliche Ergebnisse erzielt werden. Wasser oder eine andere Flüssigkeit, sorgfältig von gelösten Gasen befreit (das ist nicht einfach), wird in ein Gefäß gegeben, wobei ein Kolben die Flüssigkeitsoberfläche erreicht. Behälter und Kolben müssen mit Flüssigkeit benetzt sein. Wenn Sie nun den Kolben zu sich ziehen, folgt ihm das am Boden des Kolbens haftende Wasser. Aber die am Kolben haftende Wasserschicht zieht die nächste Wasserschicht mit sich, diese Schicht zieht die darunterliegende mit sich, wodurch sich die Flüssigkeit ausdehnt.

Am Ende wird die Wassersäule brechen (es ist die Wassersäule, nicht das Wasser, die sich vom Kolben löst), aber das wird passieren, wenn die Kraft pro Flächeneinheit mehrere zehn Kilogramm erreicht. Mit anderen Worten: In der Flüssigkeit entsteht ein Unterdruck von mehreren zehn Atmosphären.

Selbst bei niedrigen Überdrücken ist der Dampfzustand der Substanz stabil. Und die Flüssigkeit kann auf Unterdruck gebracht werden. Man kann sich kein eindrucksvolleres Beispiel für „Überhitzung“ vorstellen.

Schmelzen

Es gibt keinen festen Körper, der einem Temperaturanstieg möglichst standhalten kann. Früher oder später wird das feste Stück flüssig; richtig, in manchen Fällen wird es uns nicht gelingen, den Schmelzpunkt zu erreichen – es kann zu chemischer Zersetzung kommen.

Mit zunehmender Temperatur bewegen sich die Moleküle immer stärker. Schließlich kommt der Moment, in dem es unmöglich wird, die Ordnung zwischen stark „schwingenden“ Molekülen aufrechtzuerhalten. Der Feststoff schmilzt. Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt: 3380 °C. Gold schmilzt bei 1063 °C, Eisen – bei 1539 °C. Es gibt jedoch welche auch niedrigschmelzende Metalle. Quecksilber schmilzt bekanntlich bei einer Temperatur von -39 °C. Organische Stoffe haben keine hohen Schmelzpunkte. Naphthalin schmilzt bei 80 °C, Toluol – bei -94,5 °C.

Es ist überhaupt nicht schwierig, den Schmelzpunkt eines Körpers zu messen, insbesondere wenn er in dem mit einem gewöhnlichen Thermometer gemessenen Temperaturbereich schmilzt. Es ist überhaupt nicht notwendig, dem schmelzenden Körper mit den Augen zu folgen. Schauen Sie sich einfach die Quecksilbersäule des Thermometers an. Bis zum Schmelzbeginn steigt die Körpertemperatur (Abb. 4.5). Sobald das Schmelzen beginnt, stoppt der Temperaturanstieg und die Temperatur bleibt gleich, bis der Schmelzvorgang abgeschlossen ist.

Reis. 4.5

So wie die Umwandlung einer Flüssigkeit in Dampf erfordert auch die Umwandlung eines Feststoffs in eine Flüssigkeit Wärme. Die hierfür benötigte Wärme wird als latente Schmelzwärme bezeichnet. Um beispielsweise ein Kilogramm Eis zu schmelzen, werden 80 kcal benötigt.

Eis gehört zu den Körpern mit einer hohen Schmelzwärme. Das Schmelzen von Eis erfordert beispielsweise zehnmal mehr Energie als das Schmelzen derselben Bleimasse. Natürlich geht es um das Schmelzen selbst; wir sagen hier nicht, dass das Blei auf +327°C erhitzt werden muss, bevor es zu schmelzen beginnt. Aufgrund der hohen Schmelzwärme des Eises verlangsamt sich die Schneeschmelze. Stellen Sie sich vor, dass die Schmelzwärme zehnmal geringer wäre. Dann würden Frühjahrsüberschwemmungen jedes Jahr zu unvorstellbaren Katastrophen führen.

Die Schmelzwärme von Eis ist also groß, aber auch klein im Vergleich zur spezifischen Verdampfungswärme von 540 kcal/kg (siebenmal weniger). Dieser Unterschied ist jedoch völlig natürlich. Wenn wir eine Flüssigkeit in Dampf umwandeln, müssen wir die Moleküle voneinander trennen, beim Schmelzen müssen wir jedoch nur die Ordnung in der Anordnung der Moleküle zerstören und sie in nahezu gleichen Abständen belassen. Der zweite Fall erfordert eindeutig weniger Arbeit.

Das Vorhandensein eines bestimmten Schmelzpunkts ist ein wichtiges Merkmal kristalliner Substanzen. Durch dieses Merkmal können sie leicht von anderen Feststoffen unterschieden werden, die als amorph oder Gläser bezeichnet werden. Gläser finden sich sowohl bei anorganischen als auch bei organischen Stoffen. Fensterglas wird üblicherweise aus Natrium- und Calciumsilikaten hergestellt; Auf dem Schreibtisch wird häufig organisches Glas platziert (auch Plexiglas genannt).

Amorphe Stoffe haben im Gegensatz zu Kristallen keinen bestimmten Schmelzpunkt. Das Glas schmilzt nicht, sondern wird weich. Beim Erhitzen wird ein Stück Glas zunächst weich und dann hart, es lässt sich leicht biegen oder dehnen; Bei einer höheren Temperatur beginnt das Stück unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft seine Form zu verändern. Beim Erhitzen nimmt die dicke, viskose Glasmasse die Form des Gefäßes an, in dem sie liegt. Diese Masse ist zunächst dick wie Honig, dann wie Sauerrahm und wird schließlich fast zu der gleichen dünnflüssigen Flüssigkeit wie Wasser. Auch wenn wir es wollten, können wir hier keine konkrete Temperatur für den Übergang eines Feststoffs in eine Flüssigkeit angeben. Die Gründe dafür liegen im grundsätzlichen Unterschied zwischen der Struktur von Glas und der Struktur kristalliner Körper. Wie oben erwähnt, sind Atome in amorphen Körpern zufällig angeordnet. Gläser ähneln im Aufbau Flüssigkeiten: Bereits im festen Glas sind die Moleküle zufällig angeordnet. Dies bedeutet, dass eine Erhöhung der Temperatur des Glases nur die Schwingungsbreite seiner Moleküle erhöht und ihnen nach und nach eine immer größere Bewegungsfreiheit verleiht. Daher erweicht das Glas allmählich und weist keinen scharfen Übergang von „fest“ zu „flüssig“ auf, der für den Übergang von der Anordnung der Moleküle in einer strengen Ordnung zu einer ungeordneten Anordnung charakteristisch ist.

Als wir über die Siedekurve sprachen, sagten wir, dass Flüssigkeit und Dampf, obwohl sie sich in einem instabilen Zustand befinden, in fremden Bereichen leben können – Dampf kann unterkühlt werden und auf die linke Seite der Siedekurve übertragen werden, Flüssigkeit kann überhitzt werden und nach rechts gezogen werden dieser Kurve.

Sind ähnliche Phänomene bei einem Kristall mit einer Flüssigkeit möglich? Es stellt sich heraus, dass die Analogie hier unvollständig ist.

Wenn Sie einen Kristall erhitzen, beginnt er an seinem Schmelzpunkt zu schmelzen. Eine Überhitzung des Kristalls ist nicht möglich. Im Gegenteil: Beim Abkühlen einer Flüssigkeit kann es unter bestimmten Maßnahmen relativ leicht zu einem „Überschießen“ des Schmelzpunktes kommen. Bei manchen Flüssigkeiten kann eine starke Unterkühlung erreicht werden. Es gibt sogar Flüssigkeiten, die sich leicht unterkühlen lassen, die sich aber nur schwer kristallisieren lassen. Wenn eine solche Flüssigkeit abkühlt, wird sie immer viskoser und erstarrt schließlich, ohne zu kristallisieren. So ist Glas.

Sie können das Wasser auch unterkühlen. Nebeltröpfchen gefrieren möglicherweise auch bei starkem Frost nicht. Wenn Sie einen Kristall einer Substanz – einen Keim – in eine unterkühlte Flüssigkeit fallen lassen, beginnt sofort die Kristallisation.

Schließlich kann in vielen Fällen eine verzögerte Kristallisation durch Schütteln oder andere zufällige Ereignisse ausgelöst werden. So ist beispielsweise bekannt, dass kristallines Glycerin erstmals beim Transport per Bahn gewonnen wurde. Nach längerem Stehen kann Glas beginnen zu kristallisieren (entvitifizieren oder „kollabieren“, wie man in der Technik sagt).

Wie man einen Kristall züchtet

Fast jede Substanz kann unter bestimmten Bedingungen Kristalle bilden. Kristalle können aus einer Lösung oder einer Schmelze eines bestimmten Stoffes sowie aus seinem Dampf gewonnen werden (zum Beispiel fallen schwarze rautenförmige Jodkristalle bei Normaldruck leicht aus seinem Dampf, ohne dass ein Zwischenübergang in den flüssigen Zustand erfolgt ).

Beginnen Sie damit, Speisesalz oder Zucker in Wasser aufzulösen. Bei Raumtemperatur (20°C) können Sie in einem Facettenglas nur 70 g Salz auflösen. Weitere Salzzugaben lösen sich nicht auf und setzen sich als Sediment am Boden ab. Eine Lösung, in der keine weitere Auflösung mehr erfolgt, wird als gesättigt bezeichnet. .Wenn Sie die Temperatur ändern, ändert sich auch der Löslichkeitsgrad des Stoffes. Jeder weiß, dass heißes Wasser die meisten Stoffe viel leichter löst als kaltes Wasser.

Stellen Sie sich nun vor, Sie hätten eine gesättigte Zuckerlösung mit einer Temperatur von 30 °C zubereitet und beginnen, diese auf 20 °C abzukühlen. Bei 30°C konnte man 223 g Zucker in 100 g Wasser auflösen, bei 20°C waren es 205 g. Beim Abkühlen von 30 auf 20°C sind dann 18 g „extra“ und wie sie sagen, wird aus der Lösung fallen. Eine Möglichkeit, Kristalle zu erhalten, besteht also darin, eine gesättigte Lösung abzukühlen.

Sie können es anders machen. Bereiten Sie eine gesättigte Salzlösung vor und lassen Sie diese in einem offenen Glas stehen. Nach einiger Zeit werden Sie das Auftreten von Kristallen bemerken. Warum wurden sie gegründet? Eine sorgfältige Beobachtung wird zeigen, dass gleichzeitig mit der Kristallbildung eine weitere Veränderung stattfand – die Wassermenge nahm ab. Das Wasser verdampfte und es befand sich eine „zusätzliche“ Substanz in der Lösung. Ein weiterer möglicher Weg zur Kristallbildung ist also das Verdampfen der Lösung.

Wie kommt es zur Bildung von Kristallen aus einer Lösung?

Wir sagten, dass Kristalle aus der Lösung „herausfallen“; Sollte dies so verstanden werden, dass der Kristall eine Woche lang nicht da war und in einem Moment plötzlich auftauchte? Nein, das ist nicht der Fall: Die Kristalle wachsen. Es ist natürlich unmöglich, die allerersten Wachstumsmomente mit dem Auge zu erkennen. Zunächst ordnen sich einige der sich zufällig bewegenden Moleküle oder Atome des gelösten Stoffes ungefähr in der Reihenfolge an, die zur Bildung eines Kristallgitters erforderlich ist. Eine solche Gruppe von Atomen oder Molekülen wird Kern genannt.

Die Erfahrung zeigt, dass Keime häufiger entstehen, wenn in der Lösung kleine Staubpartikel vorhanden sind. Die Kristallisation beginnt am schnellsten und einfachsten, wenn ein kleiner Impfkristall in eine gesättigte Lösung gegeben wird. In diesem Fall besteht die Freisetzung eines Feststoffs aus der Lösung nicht in der Bildung neuer Kristalle, sondern im Wachstum des Keims.

Das Wachstum des Embryos unterscheidet sich natürlich nicht vom Wachstum des Samens. Der Sinn der Verwendung eines Samens besteht darin, dass er die freigesetzte Substanz „auf sich zieht“ und so die gleichzeitige Bildung einer großen Anzahl von Keimen verhindert. Wenn sich viele Keime bilden, stören sie sich beim Wachstum gegenseitig und ermöglichen keine großen Kristalle.

Wie verteilen sich aus der Lösung freigesetzte Teile von Atomen oder Molekülen auf der Oberfläche des Embryos?

Die Erfahrung zeigt, dass das Wachstum eines Embryos oder Samens sozusagen darin besteht, die Flächen parallel zu sich selbst in einer Richtung senkrecht zur Fläche zu bewegen. In diesem Fall bleiben die Winkel zwischen den Flächen konstant (wir wissen bereits, dass die Winkelkonstanz das wichtigste Merkmal eines Kristalls ist, das sich aus seiner Gitterstruktur ergibt).

In Abb. Abbildung 4.6 zeigt die auftretenden Umrisse von drei Kristallen derselben Substanz während ihres Wachstums. Ähnliche Bilder können unter dem Mikroskop beobachtet werden. Im links dargestellten Fall bleibt die Anzahl der Gesichter während des Wachstums erhalten. Das mittlere Bild zeigt ein Beispiel dafür, wie ein neues Gesicht auftaucht (oben rechts) und wieder verschwindet.

Reis. 4.6

Es ist sehr wichtig zu beachten, dass die Wachstumsrate der Gesichter, d. h. die Geschwindigkeit ihrer Bewegung parallel zu sich selbst, bei verschiedenen Gesichtern nicht gleich ist. In diesem Fall sind es die Kanten, die „überwachsen“ (verschwinden), die sich am schnellsten bewegen, zum Beispiel der untere linke Rand im mittleren Bild. Im Gegenteil, langsam wachsende Kanten erweisen sich als die breitesten und, wie man sagt, am weitesten entwickelten.

Dies ist besonders deutlich in der letzten Abbildung zu erkennen. Ein formloses Fragment erhält genau aufgrund der Anisotropie der Wachstumsrate die gleiche Form wie andere Kristalle. Bestimmte Facetten entwickeln sich auf Kosten anderer am stärksten und verleihen dem Kristall eine für alle Proben dieser Substanz charakteristische Form.

Sehr schöne Übergangsformen werden beobachtet, wenn man als Samen eine Kugel nimmt und die Lösung abwechselnd leicht abkühlt und erhitzt. Beim Erhitzen wird die Lösung ungesättigt und der Keim löst sich teilweise auf. Das Abkühlen führt zur Sättigung der Lösung und zum Wachstum des Samens. Aber die Moleküle setzen sich anders ab, als ob sie bestimmten Orten den Vorzug geben würden. Der Stoff wird somit von einer Stelle der Kugel an eine andere übertragen.

Zunächst erscheinen auf der Oberfläche der Kugel kleine Kanten in Form von Kreisen. Die Kreise nehmen nach und nach an Größe zu und verschmelzen, indem sie sich berühren, entlang gerader Kanten. Die Kugel verwandelt sich in ein Polyeder. Dann überholen einige Flächen andere, einige Flächen werden überwuchert und der Kristall erhält seine charakteristische Form (Abb. 4.7).

Reis. 4.7

Wenn man das Wachstum von Kristallen beobachtet, fällt einem das Hauptmerkmal des Wachstums auf – die parallele Bewegung der Flächen. Es stellt sich heraus, dass die freigesetzte Substanz die Kante schichtweise aufbaut: Bis eine Schicht fertiggestellt ist, beginnt der Aufbau der nächsten nicht.

In Abb. Abbildung 4.8 zeigt die „unvollendete“ Packung der Atome. In welcher der Buchstabenpositionen wird das neue Atom am besten festgehalten, wenn es am Kristall befestigt ist? Ohne Zweifel in A, denn hier erfährt er die Anziehungskraft der Nachbarn von drei Seiten, in B hingegen von zwei und in C nur von einer Seite. Daher wird zuerst die Säule fertiggestellt, dann die gesamte Ebene und erst dann beginnt die Verlegung der neuen Ebene.

Reis. 4.8

In einer Reihe von Fällen entstehen Kristalle aus einer geschmolzenen Masse – aus einer Schmelze. In der Natur geschieht dies in großem Umfang: Basalte, Granite und viele andere Gesteine ​​sind aus feurigem Magma entstanden.

Beginnen wir mit dem Erhitzen einer kristallinen Substanz, beispielsweise Steinsalz. Bis 804 °C verändern sich die Steinsalzkristalle kaum: Sie dehnen sich nur geringfügig aus und die Substanz bleibt fest. Ein in einem Gefäß mit einer Substanz angebrachter Temperaturmesser zeigt beim Erhitzen einen kontinuierlichen Temperaturanstieg an. Bei 804 °C werden wir sofort zwei neue, miteinander verbundene Phänomene entdecken: Die Substanz beginnt zu schmelzen und der Temperaturanstieg hört auf. Bis die gesamte Substanz flüssig wird; die Temperatur ändert sich nicht; Ein weiterer Temperaturanstieg bedeutet eine Erwärmung der Flüssigkeit. Alle kristallinen Stoffe haben einen bestimmten Schmelzpunkt. Eis schmilzt bei 0°C, Eisen – bei 1527°C, Quecksilber – bei -39°C usw.

Wie wir bereits wissen, bilden die Atome oder Moleküle der Substanz in jedem Kristall eine geordnete G-Packung und führen kleine Schwingungen um ihre Durchschnittspositionen aus. Wenn sich der Körper erwärmt, erhöht sich die Geschwindigkeit der oszillierenden Teilchen und damit auch die Amplitude der Schwingungen. Diese Zunahme der Geschwindigkeit der Teilchenbewegung mit steigender Temperatur stellt eines der Grundgesetze der Natur dar, das für Materie in jedem Zustand gilt – fest, flüssig oder gasförmig.

Wenn eine bestimmte, ausreichend hohe Temperatur des Kristalls erreicht ist, werden die Schwingungen seiner Partikel so energiereich, dass eine saubere Anordnung der Partikel unmöglich wird – der Kristall schmilzt. Mit dem Einsetzen des Schmelzens wird die zugeführte Wärme nicht mehr zur Beschleunigung der Teilchengeschwindigkeit, sondern zur Zerstörung des Kristallgitters genutzt. Daher stoppt der Temperaturanstieg. Durch die anschließende Erwärmung erhöht sich die Geschwindigkeit flüssiger Partikel.

Bei der Kristallisation aus einer Schmelze, die uns interessiert, werden die oben beschriebenen Phänomene in umgekehrter Reihenfolge beobachtet: Wenn die Flüssigkeit abkühlt, verlangsamen ihre Partikel ihre chaotische Bewegung; Bei Erreichen einer bestimmten, ausreichend niedrigen Temperatur ist die Geschwindigkeit der Teilchen bereits so gering, dass einige von ihnen unter dem Einfluss von Anziehungskräften beginnen, sich aneinander zu heften und kristalline Keime zu bilden. Bis die gesamte Substanz kristallisiert ist, bleibt die Temperatur konstant. Diese Temperatur entspricht normalerweise dem Schmelzpunkt.

Wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, beginnt an vielen Stellen gleichzeitig die Kristallisation aus der Schmelze. Die Kristalle wachsen in Form regelmäßiger, charakteristischer Polyeder, genauso wie wir es oben beschrieben haben. Das freie Wachstum hält jedoch nicht lange an: Während die Kristalle wachsen, kollidieren sie miteinander, an den Kontaktpunkten stoppt das Wachstum und der erstarrte Körper erhält eine körnige Struktur. Jedes Korn ist ein separater Kristall, der nicht die richtige Form angenommen hat.

Abhängig von vielen Bedingungen und vor allem von der Abkühlgeschwindigkeit kann ein Feststoff mehr oder weniger große Körner aufweisen: Je langsamer die Abkühlung, desto größer die Körner. Die Korngrößen kristalliner Körper reichen von einem Millionstel Zentimeter bis zu mehreren Millimetern. In den meisten Fällen kann die körnige Kristallstruktur unter dem Mikroskop beobachtet werden. Feststoffe haben in der Regel eine solche feinkristalline Struktur.

Der Prozess der Erstarrung von Metallen ist für die Technik von großem Interesse. Physiker haben die Vorgänge beim Gießen und beim Erstarren von Metall in Formen sehr detailliert untersucht.

Im erstarrten Zustand wachsen meist baumartige Einkristalle, sogenannte Dendriten. In anderen Fällen sind die Dendriten zufällig ausgerichtet, in anderen Fällen parallel zueinander.

In Abb. Abbildung 4.9 zeigt die Wachstumsstadien eines Dendriten. Durch dieses Verhalten kann ein Dendrit überwuchert werden, bevor er auf einen anderen, ähnlichen Dendrit trifft. Dann werden wir im Guss keine Dendriten finden. Ereignisse können sich auch unterschiedlich entwickeln: Dendriten können sich treffen und ineinander wachsen (die Äste des einen in die Zwischenräume zwischen den Ästen des anderen), während sie noch „jung“ sind.

Reis. 4.9

So können Gussteile entstehen, deren Körner (dargestellt in Abb. 2.22) sehr unterschiedliche Strukturen aufweisen. Und die Eigenschaften von Metallen hängen maßgeblich von der Beschaffenheit dieser Struktur ab. Sie können das Verhalten des Metalls während der Erstarrung steuern, indem Sie die Abkühlgeschwindigkeit und das Wärmeabfuhrsystem ändern.

Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie man einen großen Einkristall züchtet. Es ist klar, dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, um sicherzustellen, dass der Kristall von einer Stelle aus wächst. Und wenn bereits mehrere Kristalle zu wachsen begonnen haben, muss auf jeden Fall sichergestellt werden, dass die Wachstumsbedingungen nur für einen von ihnen günstig sind.

Dies geschieht zum Beispiel bei der Züchtung von Kristallen aus niedrig schmelzenden Metallen. Das Metall wird in einem Glasreagenzglas mit herausgezogenem Ende geschmolzen. Ein an einem Faden aufgehängtes Reagenzglas in einem vertikalen zylindrischen Ofen wird langsam abgesenkt. Das gezogene Ende verlässt nach und nach den Ofen und kühlt ab. Die Kristallisation beginnt. Zunächst bilden sich mehrere Kristalle, doch die seitlich wachsenden Kristalle liegen an der Wand des Reagenzglases an und ihr Wachstum verlangsamt sich. Nur der Kristall, der entlang der Achse des Reagenzglases, also tief in die Schmelze hinein, wächst, ist in günstigen Bedingungen. Beim Absenken des Reagenzglases „füttern“ neue Anteile der Schmelze, die in den Niedertemperaturbereich gelangen, diesen Einkristall. Daher ist er von allen Kristallen der einzige, der überlebt; Beim Absinken des Reagenzglases wächst es entlang seiner Achse weiter. Schließlich erstarrt das gesamte geschmolzene Metall zu einem einzigen Kristall.

Die gleiche Idee liegt der Züchtung feuerfester Rubinkristalle zugrunde. Feines Pulver der Substanz wird durch die Flamme gesprüht. Die Pulver schmelzen; Winzige Tropfen fallen auf eine sehr kleine feuerfeste Unterlage und bilden viele Kristalle. Während die Tropfen weiter auf den Ständer fallen, wachsen alle Kristalle, aber auch hier wächst nur derjenige, der sich in der günstigsten Position befindet, um die fallenden Tropfen „aufzunehmen“.

Wofür werden große Kristalle benötigt?

Industrie und Wissenschaft benötigen oft große Einkristalle. Von großer Bedeutung für die Technik sind Kristalle aus Rochelle-Salz und Quarz, die die bemerkenswerte Eigenschaft besitzen, mechanische Einwirkungen (zum Beispiel Druck) in elektrische Spannung umzuwandeln.

Die optische Industrie benötigt große Kristalle aus Calcit, Steinsalz, Fluorit usw.

Die Uhrenindustrie benötigt Kristalle aus Rubinen, Saphiren und einigen anderen Edelsteinen. Tatsache ist, dass die einzelnen beweglichen Teile einer gewöhnlichen Uhr bis zu 20.000 Schwingungen pro Stunde erzeugen. Eine so große Ladung stellt ungewöhnlich hohe Anforderungen an die Qualität der Achsspitzen und -lager. Der Abrieb ist am geringsten, wenn das Lager für die Achsenspitze mit einem Durchmesser von 0,07–0,15 mm aus Rubin oder Saphir besteht. Die künstlichen Kristalle dieser Stoffe sind sehr langlebig und werden durch Stahl kaum abgenutzt. Es ist bemerkenswert, dass Kunststeine ​​besser sind als die gleichen Natursteine.

Die größte Bedeutung für die Industrie hat jedoch die Züchtung von Halbleiter-Einkristallen – Silizium und Germanium.

Einfluss des Drucks auf den Schmelzpunkt

Wenn Sie den Druck ändern, ändert sich auch der Schmelzpunkt. Wir sind auf das gleiche Muster gestoßen, als wir über das Kochen gesprochen haben. Je höher der Druck; desto höher der Siedepunkt. Dies gilt im Allgemeinen auch für das Schmelzen. Es gibt jedoch einige wenige Stoffe, die sich ungewöhnlich verhalten: Ihr Schmelzpunkt sinkt mit zunehmendem Druck.

Tatsache ist, dass die überwiegende Mehrheit der Feststoffe dichter ist als ihre flüssigen Gegenstücke. Ausgenommen von dieser Regel sind genau solche Stoffe, deren Schmelzpunkt sich bei einer Druckänderung auf ungewöhnliche Weise ändert, beispielsweise Wasser. Eis ist leichter als Wasser und der Schmelzpunkt von Eis sinkt mit zunehmendem Druck.

Kompression fördert die Bildung eines dichteren Zustandes. Wenn ein Feststoff dichter als eine Flüssigkeit ist, hilft die Kompression beim Erstarren und verhindert das Schmelzen. Wird das Schmelzen jedoch durch Kompression erschwert, bedeutet dies, dass der Stoff fest bleibt, während er zuvor bei dieser Temperatur bereits geschmolzen wäre, d. h. mit zunehmendem Druck steigt die Schmelztemperatur. Im anomalen Fall ist die Flüssigkeit dichter als der Feststoff und der Druck begünstigt die Bildung der Flüssigkeit, d. h. er senkt den Schmelzpunkt.

Der Einfluss des Drucks auf den Schmelzpunkt ist viel geringer als der ähnliche Einfluss auf den Siedepunkt. Ein Druckanstieg um mehr als 100 kgf/cm2 senkt den Schmelzpunkt von Eis um 1 °C.

Warum gleiten Schlittschuhe nur auf Eis, nicht aber auf ebenso glattem Parkett? Offenbar ist die einzige Erklärung die Bildung von Wasser, das den Schlittschuh schmiert. Um den entstandenen Widerspruch zu verstehen, muss man sich Folgendes merken: Dumme Schlittschuhe gleiten sehr schlecht auf dem Eis. Schlittschuhe müssen geschärft werden, damit sie Eis schneiden können. In diesem Fall drückt nur die Spitze der Schlittschuhkante auf das Eis. Der Druck auf das Eis erreicht Zehntausende Atmosphären, aber das Eis schmilzt immer noch.

Verdunstung von Feststoffen

Wenn man sagt „ein Stoff verdunstet“, meint man normalerweise, dass eine Flüssigkeit verdunstet. Aber auch Feststoffe können verdunsten. Manchmal wird die Verdunstung von Feststoffen als Sublimation bezeichnet.

Ein verdampfender Feststoff ist beispielsweise Naphthalin. Naphthalin schmilzt bei 80 °C und verdampft bei Raumtemperatur. Es ist diese Eigenschaft von Naphthalin, die es ermöglicht, es zur Vernichtung von Motten einzusetzen.

Ein mit Mottenkugeln bedeckter Pelzmantel ist mit Naphthalindämpfen gesättigt und erzeugt eine Atmosphäre, die Motten nicht vertragen. Jeder riechende Feststoff sublimiert in erheblichem Maße. Denn der Geruch entsteht durch Moleküle, die sich aus der Substanz lösen und in unsere Nase gelangen. Häufiger kommt es jedoch vor, dass eine Substanz in geringem Maße sublimiert, manchmal in einem Ausmaß, das selbst durch sehr sorgfältige Forschung nicht nachgewiesen werden kann. Grundsätzlich verdampft jeder feste Stoff (nämlich jeder, auch Eisen oder Kupfer). Wenn wir keine Sublimation feststellen, bedeutet dies nur, dass die Dichte des Sättigungsdampfes sehr unbedeutend ist.

Sie können nachweisen, dass eine Reihe von Substanzen, die bei Raumtemperatur einen stechenden Geruch haben, diesen bei niedrigen Temperaturen verlieren.

Die Dichte von gesättigtem Dampf im Gleichgewicht mit einem Feststoff nimmt mit steigender Temperatur schnell zu. Wir veranschaulichen dieses Verhalten mit der in Abb. gezeigten Eiskurve. 4.10. Es stimmt, dass Eis nicht riecht...

Reis. 4.10

In den meisten Fällen ist es aus einem einfachen Grund unmöglich, die gesättigte Dampfdichte eines Festkörpers wesentlich zu erhöhen: Der Stoff schmilzt früher.

Auch das Eis verdunstet. Das wissen Hausfrauen, die bei kaltem Wetter nasse Wäsche zum Trocknen aufhängen.“ Das Wasser gefriert zunächst, dann verdunstet das Eis und die Wäsche ist trocken.

Dreifacher Punkt

Es gibt also Bedingungen, unter denen Dampf, Flüssigkeit und Kristall paarweise im Gleichgewicht existieren können. Können alle drei Zustände im Gleichgewicht sein? Einen solchen Punkt im Druck-Temperatur-Diagramm gibt es; man nennt ihn Tripel. Wo ist es?

Wenn Sie Wasser mit schwimmendem Eis in einem geschlossenen Gefäß bei null Grad platzieren, beginnt Wasserdampf (und „Eis“) in den freien Raum zu strömen. Bei einem Dampfdruck von 4,6 mm Hg. Kunst. Die Verdunstung hört auf und die Sättigung beginnt. Nun befinden sich die drei Phasen Eis, Wasser und Dampf im Gleichgewicht. Das ist der Tripelpunkt.

Die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Zuständen werden durch das in Abb. dargestellte Diagramm für Wasser klar und deutlich dargestellt. 4.11.

Reis. 4.11

Ein solches Diagramm kann für jeden Körper erstellt werden.

Die Kurven in der Abbildung sind uns bekannt – das sind die Gleichgewichtskurven zwischen Eis und Dampf, Eis und Wasser, Wasser und Dampf. Der Druck wird wie üblich vertikal aufgetragen, die Temperatur horizontal.

Die drei Kurven schneiden sich im Tripelpunkt und unterteilen das Diagramm in drei Bereiche – die Lebensräume von Eis, Wasser und Wasserdampf.

Ein Zustandsdiagramm ist eine komprimierte Referenz. Ihr Ziel ist es, die Frage zu beantworten, welcher Zustand des Körpers bei diesem oder jenem Druck und dieser oder jener Temperatur stabil ist.

Wenn Wasser oder Dampf in die Bedingungen der „linken Region“ gebracht werden, werden sie zu Eis. Wenn man in den „unteren Bereich“ eine Flüssigkeit oder einen Feststoff hinzufügt, entsteht Dampf. Im „richtigen Bereich“ kondensiert der Dampf und das Eis schmilzt.

Mit dem Phasenexistenzdiagramm können Sie sofort beantworten, was mit einem Stoff passiert, wenn er erhitzt oder komprimiert wird. Die Erwärmung bei konstantem Druck wird im Diagramm durch eine horizontale Linie dargestellt. Ein Punkt, der den Zustand des Körpers darstellt, bewegt sich entlang dieser Linie von links nach rechts.

Die Abbildung zeigt zwei solcher Linien, eine davon heizt bei Normaldruck. Die Linie liegt über dem Tripelpunkt. Daher schneidet es zuerst die Schmelzkurve und dann, außerhalb der Zeichnung, die Verdampfungskurve. Bei Normaldruck schmilzt Eis bei einer Temperatur von 0 °C und das entstehende Wasser siedet bei 100 °C.

Anders verhält es sich mit Eis, das bei sehr niedrigem Druck erhitzt wird, beispielsweise knapp unter 5 mmHg. Kunst. Der Erwärmungsprozess wird durch eine Linie dargestellt, die unterhalb des Tripelpunkts verläuft. Die Schmelz- und Siedekurven schneiden sich mit dieser Linie nicht. Bei einem so niedrigen Druck führt die Erwärmung zu einem direkten Übergang von Eis in Dampf.

In Abb. In Abb. 4.12 zeigt das gleiche Diagramm, welches interessante Phänomen auftritt, wenn Wasserdampf in dem in der Abbildung mit einem Kreuz markierten Zustand komprimiert wird. Der Dampf verwandelt sich zunächst in Eis und schmilzt dann. Anhand der Zeichnung können Sie sofort erkennen, bei welchem ​​Druck der Kristall zu wachsen beginnt und wann es zum Schmelzen kommt.

Reis. 4.12

Die Phasendiagramme aller Stoffe sind einander ähnlich. Aus alltäglicher Sicht ergeben sich große Unterschiede, da die Lage des Tripelpunkts im Diagramm für verschiedene Stoffe sehr unterschiedlich sein kann.

Schließlich leben wir unter nahezu „normalen Bedingungen“, also hauptsächlich bei einem Druck nahe einer Atmosphäre. Für uns ist es sehr wichtig, wie der Tripelpunkt eines Stoffes im Verhältnis zur Normaldrucklinie liegt.

Wenn der Druck am Tripelpunkt unter dem Atmosphärendruck liegt, wird der Stoff für uns, der unter „normalen“ Bedingungen lebt, als schmelzend eingestuft. Bei steigender Temperatur wird es zunächst flüssig und kocht dann.

Im umgekehrten Fall – wenn der Druck am Tripelpunkt höher als der atmosphärische Druck ist – sehen wir beim Erhitzen keine Flüssigkeit, der Feststoff verwandelt sich direkt in Dampf. So verhält sich „Trockeneis“, was für Eisverkäufer sehr praktisch ist. Eisbriketts können mit „Trockeneis“-Stücken umgefüllt werden, ohne dass Sie befürchten müssen, dass das Eis nass wird. „Trockeneis“ ist festes Kohlendioxid C0 2. Der Tripelpunkt dieser Substanz liegt bei 73 atm. Wenn daher festes CO 2 erhitzt wird, bewegt sich der Punkt, der seinen Zustand darstellt, horizontal und schneidet nur die Verdampfungskurve des Feststoffs (dasselbe wie bei gewöhnlichem Eis bei einem Druck von etwa 5 mm Hg).

Wir haben dem Leser bereits erklärt, wie ein Grad Temperatur auf der Kelvin-Skala bestimmt wird, oder, wie das SI-System jetzt von uns verlangt, ein Kelvin. Wir sprachen jedoch über das Prinzip der Temperaturbestimmung. Nicht alle Metrologieinstitute verfügen über ideale Gasthermometer. Daher wird die Temperaturskala anhand von Gleichgewichtspunkten erstellt, die von der Natur zwischen verschiedenen Materiezuständen festgelegt sind.

Eine besondere Rolle spielt dabei der Tripelpunkt des Wassers. Ein Grad Kelvin wird heute als der 273,16-fache Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser definiert. Der Tripelpunkt von Sauerstoff wird mit 54,361 K angenommen. Die Erstarrungstemperatur von Gold wird auf 1337,58 K festgelegt. Mithilfe dieser Referenzpunkte kann jedes Thermometer genau kalibriert werden.

Die gleichen Atome, aber... unterschiedliche Kristalle

Der mattschwarze, weiche Graphit, mit dem wir schreiben, und der glänzende, transparente, harte Glasschliffdiamant sind aus den gleichen Kohlenstoffatomen aufgebaut. Warum sind die Eigenschaften dieser beiden identischen Stoffe so unterschiedlich?

Betrachten Sie das Gitter aus geschichtetem Graphit, bei dem jedes Atom drei nächste Nachbarn hat, und das Gitter aus Diamant, dessen Atom vier nächste Nachbarn hat. Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass die Eigenschaften von Kristallen durch die relative Anordnung der Atome bestimmt werden. Feuerfeste Tiegel bestehen aus Graphit, der Temperaturen von bis zu zwei- bis dreitausend Grad standhält, und Diamant brennt bei Temperaturen über 700 °C; die Dichte von Diamant beträgt 3,5 und die von Graphit 2,3; Graphit leitet Strom, Diamant nicht usw.

Nicht nur Kohlenstoff besitzt die Eigenschaft, unterschiedliche Kristalle zu bilden. Fast jedes chemische Element, und nicht nur ein Element, sondern jede chemische Substanz, kann in mehreren Varianten existieren. Es gibt sechs Eissorten, neun Schwefelsorten und vier Eisensorten.

Bei der Diskussion des Phasendiagramms haben wir nicht über verschiedene Arten von Kristallen gesprochen und einen einzelnen Bereich des Festkörpers gezeichnet. Und bei vielen Stoffen ist dieser Bereich in Abschnitte unterteilt, von denen jeder einem bestimmten „Typ“ eines Feststoffs oder, wie man sagt, einer bestimmten festen Phase (einer bestimmten kristallinen Modifikation) entspricht.

Jede kristalline Phase hat ihren eigenen stabilen Zustandsbereich, der durch einen bestimmten Druck- und Temperaturbereich begrenzt ist. Die Gesetze der Umwandlung einer Kristallart in eine andere sind dieselben wie die Gesetze des Schmelzens und Verdampfens.

Für jeden Druck können Sie die Temperatur angeben, bei der beide Kristallarten friedlich koexistieren. Wenn Sie die Temperatur erhöhen, verwandelt sich ein Kristall einer Art in einen Kristall der zweiten Art. Wenn Sie die Temperatur senken, findet die umgekehrte Umwandlung statt.

Damit roter Schwefel bei Normaldruck gelb wird, ist eine Temperatur unter 110 °C erforderlich. Oberhalb dieser Temperatur bleibt die für roten Schwefel charakteristische Anordnungsordnung der Atome bis zum Schmelzpunkt stabil. Die Temperatur sinkt, die Schwingungen der Atome nehmen ab und ab 110 °C findet die Natur eine günstigere Anordnung der Atome. Es findet eine Umwandlung eines Kristalls in einen anderen statt.

Niemand hat sich Namen für sechs verschiedene Eissorten ausgedacht. So heißt es: Eis eins, Eis zwei, ...., Eis sieben. Wie wäre es mit sieben, wenn es nur sechs Sorten gibt? Tatsache ist, dass Eis vier bei wiederholten Experimenten nicht entdeckt wurde.

Wenn Sie Wasser bei einer Temperatur nahe Null komprimieren, bilden sich bei einem Druck von etwa 2000 atm Eis fünf und bei einem Druck von etwa 6000 atm Eis sechs.

Eis zwei und Eis drei sind bei Temperaturen unter Null Grad stabil.

Eis sieben ist heißes Eis; Es entsteht, wenn heißes Wasser auf einen Druck von etwa 20.000 atm komprimiert wird.

Alles Eis, außer gewöhnlichem Eis, ist schwerer als Wasser. Unter normalen Bedingungen erzeugtes Eis verhält sich ungewöhnlich; im Gegenteil, Eis, das unter anderen als den normalen Bedingungen gewonnen wurde, verhält sich normal.

Wir sagen, dass jede kristalline Modifikation durch einen bestimmten Existenzbereich gekennzeichnet ist. Aber wenn ja, wie existieren dann Graphit und Diamant unter den gleichen Bedingungen?

Solche „Gesetzlosigkeit“ kommt in der Welt der Kristalle sehr häufig vor. Die Fähigkeit, unter „fremden“ Bedingungen zu leben, ist für Kristalle fast schon eine Regel. Wenn man zur Überführung von Dampf oder Flüssigkeit in fremde Existenzbereiche auf verschiedene Tricks zurückgreifen muss, kann ein Kristall im Gegenteil fast nie gezwungen werden, innerhalb der ihm von der Natur vorgegebenen Grenzen zu bleiben.

Die Überhitzung und Unterkühlung von Kristallen wird durch die Schwierigkeit erklärt, unter extrem beengten Bedingungen eine Ordnung in eine andere umzuwandeln. Gelber Schwefel sollte bei 95,5 °C rot werden. Bei mehr oder weniger schneller Erwärmung werden wir diesen Umwandlungspunkt „überschießen“ und die Temperatur auf den Schwefelschmelzpunkt von 113 °C bringen.

Die wahre Umwandlungstemperatur lässt sich am einfachsten erkennen, wenn die Kristalle in Kontakt kommen. Wenn sie dicht übereinander platziert werden und die Temperatur bei 96 °C gehalten wird, wird das Gelb vom Rot gefressen und bei 95 °C absorbiert das Gelb das Rot. Im Gegensatz zum „Kristall-Flüssigkeit“-Übergang werden „Kristall-Kristall“-Umwandlungen sowohl bei Unterkühlung als auch bei Überhitzung normalerweise verzögert.

Teilweise haben wir es mit Materiezuständen zu tun, die bei völlig unterschiedlichen Temperaturen leben sollten.

Weißes Zinn sollte grau werden, wenn die Temperatur auf +13°C sinkt. Normalerweise haben wir es mit Weißzinn zu tun und wissen, dass man damit im Winter nichts macht. Es hält einer Unterkühlung von 20 bis 30 Grad perfekt stand. Bei strengen Winterbedingungen verwandelt sich weißes Zinn jedoch in Grau. Die Unkenntnis dieser Tatsache war einer der Umstände, die Scotts Expedition zum Südpol (1912) scheiterten. Der von der Expedition mitgenommene flüssige Treibstoff befand sich in mit Zinn verlöteten Gefäßen. Bei extremer Kälte verwandelte sich weißes Zinn in graues Pulver – die Gefäße waren ungelötet; und der Kraftstoff lief aus. Nicht umsonst wird das Auftreten von grauen Flecken auf weißem Blech als Zinnpest bezeichnet.

Wie Schwefel kann weißes Zinn bei Temperaturen knapp unter 13 °C in graues umgewandelt werden; es sei denn, ein winziges Körnchen der grauen Sorte fällt auf einen Zinngegenstand.

Die Existenz mehrerer Varianten desselben Stoffes und Verzögerungen bei deren gegenseitiger Umwandlung sind für die Technik von großer Bedeutung.

Bei Raumtemperatur bilden Eisenatome ein kubisch raumzentriertes Gitter, in dem die Atome Positionen an den Ecken und in der Mitte des Würfels einnehmen. Jedes Atom hat 8 Nachbarn. Bei hohen Temperaturen bilden Eisenatome eine dichtere „Packung“ – jedes Atom hat 12 Nachbarn. Eisen mit 8 Nachbarn ist weich, Eisen mit 12 Nachbarn ist hart. Es stellt sich heraus, dass es möglich ist, Eisen der zweiten Art bei Raumtemperatur zu gewinnen. Dieses Verfahren – das Härten – ist in der Metallurgie weit verbreitet.

Das Härten erfolgt ganz einfach: Ein Metallgegenstand wird glühend heiß erhitzt und dann in Wasser oder Öl geworfen. Die Abkühlung erfolgt so schnell, dass die Umwandlung einer bei hohen Temperaturen stabilen Struktur keine Zeit hat. Somit bleibt die Hochtemperaturstruktur auf unbestimmte Zeit und unter für sie ungewöhnlichen Bedingungen bestehen: Die Rekristallisation in eine stabile Struktur erfolgt so langsam, dass sie praktisch unbemerkt ist.

Als wir über das Härten von Eisen sprachen, lagen wir nicht ganz richtig. Stahl ist gehärtet, also Eisen, das Bruchteile von einem Prozent Kohlenstoff enthält. Das Vorhandensein sehr kleiner Kohlenstoffverunreinigungen verzögert die Umwandlung von Harteisen in Weicheisen und ermöglicht die Härtung. Bei vollständig reinem Eisen ist eine Härtung nicht möglich – die Strukturumwandlung gelingt auch bei der schnellsten Abkühlung.

Je nach Art des Zustandsdiagramms, sich änderndem Druck oder Temperatur wird die eine oder andere Transformation erreicht.

Viele Kristall-zu-Kristall-Umwandlungen werden allein durch Druckänderungen beobachtet. Auf diese Weise wurde schwarzer Phosphor gewonnen.

Reis. 4.13

Die Umwandlung von Graphit in Diamant war nur durch die gleichzeitige Anwendung von hoher Temperatur und hohem Druck möglich. In Abb. Abbildung 4.13 zeigt das Phasendiagramm von Kohlenstoff. Bei Drücken unter zehntausend Atmosphären und Temperaturen unter 4000 K ist Graphit eine stabile Modifikation. Diamant lebt also unter „fremden“ Bedingungen, sodass er ohne große Schwierigkeiten in Graphit umgewandelt werden kann. Aber das umgekehrte Problem ist von praktischem Interesse. Es ist nicht möglich, Graphit allein durch Druckerhöhung in Diamant umzuwandeln. Die Phasenumwandlung im Festkörper ist offenbar zu langsam. Das Erscheinen des Phasendiagramms legt die richtige Lösung nahe: Druck und Wärme gleichzeitig erhöhen. Dann erhalten wir (rechte Ecke des Diagramms) geschmolzenen Kohlenstoff. Durch Abkühlen unter hohem Druck sollten wir in die Diamantregion gelangen.

Die praktische Möglichkeit eines solchen Verfahrens wurde 1955 nachgewiesen und das Problem gilt heute als technisch gelöst.

Erstaunliche Flüssigkeit

Wenn man die Temperatur eines Körpers senkt, wird er früher oder später hart und erhält eine kristalline Struktur. Dabei spielt es keine Rolle, bei welchem ​​Druck die Abkühlung erfolgt. Dieser Umstand erscheint aus der Sicht der physikalischen Gesetze, die wir bereits kennengelernt haben, völlig natürlich und verständlich. Tatsächlich verringern wir durch die Senkung der Temperatur die Intensität der thermischen Bewegung. Wenn die Bewegung der Moleküle so schwach wird, dass sie die Wechselwirkungskräfte zwischen ihnen nicht mehr beeinträchtigt, ordnen sich die Moleküle in einer sauberen Reihenfolge an – sie bilden einen Kristall. Durch weitere Abkühlung wird den Molekülen die gesamte Energie ihrer Bewegung entzogen, und beim absoluten Nullpunkt muss die Substanz in Form ruhender Moleküle vorliegen, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind.

Die Erfahrung zeigt, dass sich alle Stoffe so verhalten. Bis auf eines: Helium ist so ein „Monster“.

Wir haben den Leser bereits mit einigen Informationen zum Thema Helium versorgt. Helium hält den Rekord für seine kritische Temperatur. Kein Stoff hat eine kritische Temperatur von weniger als 4,3 K. Dieser Rekord an sich bedeutet jedoch nichts Überraschendes. Noch etwas fällt auf: Wenn wir Helium unter die kritische Temperatur abkühlen und fast den absoluten Nullpunkt erreichen, erhalten wir kein festes Helium. Auch beim absoluten Nullpunkt bleibt Helium flüssig.

Das Verhalten von Helium ist aus der Sicht der von uns skizzierten Bewegungsgesetze völlig unerklärlich und eines der Zeichen für die begrenzte Gültigkeit solcher scheinbar universellen Naturgesetze.

Wenn ein Körper flüssig ist, sind seine Atome in Bewegung. Aber indem wir den Körper auf den absoluten Nullpunkt abkühlen, haben wir ihm die gesamte Bewegungsenergie entzogen. Wir müssen zugeben, dass Helium eine solche Bewegungsenergie hat, die nicht weggenommen werden kann. Diese Schlussfolgerung ist mit der Mechanik, die wir bisher untersucht haben, nicht vereinbar. Nach dieser von uns untersuchten Mechanik kann die Bewegung eines Körpers immer bis zum völligen Stillstand verlangsamt werden, wodurch ihm die gesamte kinetische Energie entzogen wird; Auf die gleiche Weise kann man die Bewegung von Molekülen stoppen, indem man ihnen Energie entzieht, wenn sie mit den Wänden eines gekühlten Gefäßes kollidieren. Für Helium ist eine solche Mechanik eindeutig nicht geeignet.

Das „seltsame“ Verhalten von Helium ist ein Hinweis auf eine Tatsache von großer Bedeutung. Zum ersten Mal stießen wir auf die Unmöglichkeit, die Grundgesetze der Mechanik, die durch direktes Studium der Bewegung sichtbarer Körper aufgestellt wurden – Gesetze, die die unerschütterliche Grundlage der Physik zu sein schienen, auf die Welt der Atome anzuwenden.

Die Tatsache, dass sich Helium am absoluten Nullpunkt „verweigert“, zu kristallisieren, lässt sich in keiner Weise mit der bisher untersuchten Mechanik vereinbaren. Der Widerspruch, dem wir zum ersten Mal begegneten – die Nichtunterordnung der Welt der Atome unter die Gesetze der Mechanik – ist nur das erste Glied in einer Kette noch akuterer und drastischerer Widersprüche in der Physik.

Diese Widersprüche führen dazu, dass die Grundlagen der Mechanik der Atomwelt überarbeitet werden müssen. Diese Revision ist sehr tiefgreifend und führt zu einer Veränderung unseres gesamten Naturverständnisses.

Die Notwendigkeit einer radikalen Überarbeitung der Mechanik der Atomwelt bedeutet nicht, dass wir die Gesetze der Mechanik, die wir untersucht haben, aufgeben müssen. Es wäre unfair, den Leser zu zwingen, unnötige Dinge zu studieren. Die alte Mechanik ist in der Welt der großen Körper voll und ganz gültig. Dies allein reicht aus, um die relevanten Kapitel der Physik mit vollem Respekt zu behandeln. Wichtig ist jedoch auch, dass eine Reihe von Gesetzen der „alten“ Mechanik in die „neue“ Mechanik übergehen. Hierzu zählt insbesondere der Energieerhaltungssatz.

Das Vorhandensein „unentfernbarer“ Energie am absoluten Nullpunkt ist keine besondere Eigenschaft von Helium. Es stellt sich heraus; Alle Stoffe haben „Null“-Energie.

Nur bei Helium reicht diese Energie aus, um die Bildung eines regelmäßigen Kristallgitters durch die Atome zu verhindern.

Denken Sie nicht, dass Helium nicht in einem kristallinen Zustand vorliegen kann. Um Helium zu kristallisieren, müssen Sie lediglich den Druck auf etwa 25 atm erhöhen. Durch Abkühlung bei höherem Druck entsteht festes kristallines Helium mit völlig normalen Eigenschaften. Helium bildet ein kubisch flächenzentriertes Gitter.

In Abb. Abbildung 4.14 zeigt das Phasendiagramm von Helium. Es unterscheidet sich stark von den Diagrammen aller anderen Stoffe durch das Fehlen eines Tripelpunkts. Schmelz- und Siedekurven schneiden sich nicht.

Reis. 4.14

Und dieses einzigartige Zustandsdiagramm hat noch eine weitere Besonderheit: Es gibt zwei verschiedene Heliumflüssigkeiten. Worin sie sich unterscheiden, erfahren Sie etwas später.