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Verdunstung von Wasser

Verdunstung (Verdunstung) ist in der Physik das Phasenübergang von flüssige Moleküle auf einer Oberfläche zum to Gasphase.

Partikelansatz

Die Teilchen, aus denen eine Flüssigkeit besteht, sind ständig in Bewegung (die sogenannten braunes Uhrwerk: die Partikel kollidieren ständig miteinander, sodass jedes Partikel seine Richtung und Geschwindigkeit ändert).

Die Partikel in einer Flüssigkeit können Atome, Ionen oder Moleküle sein. Wasser besteht aus H₂O Moleküle, Quecksilber besteht aus Quecksilberatomen. Stoffe können in einer Flüssigkeit gelöst werden, die in loses . zerfällt Ionen. Diese Ionen bilden Komplexe in der Lösung, weil sie von einer Hülle aus Flüssigkeitsmolekülen umgeben sind. Die Teilchen werden durch gegenseitige Anziehungskräfte zusammengehalten, alle abgeleiteten elektrischen Kräfte, wie z van der waals kraft, oder Kräfte zwischen Dipolen oder zwischen den Ionen in einer Flüssigkeit. Die Partikel bewegen sich nicht alle mit der gleichen Geschwindigkeit, und die sich am schnellsten bewegenden Partikel können von der Oberfläche der Flüssigkeit entweichen oder verdampfen.^[1][2]

Dämpfe und Gase

Bei Temperaturen und Drücken, bei denen sowohl die Gasphase als auch die Flüssigphase möglich sind, spricht man von a Dampf statt Gas. Dies ist beispielsweise bei Wasser und Quecksilber bei Raumtemperatur der Fall. Über kritische Temperatur - was bei jeder Flüssigkeit anders ist - wird als Gas bezeichnet. Dämpfe liegen unterhalb der kritischen Temperatur und können durch Kompression verflüssigt werden. Bei Gasen ist dies nicht der Fall: Sie müssen zunächst unter die kritische Temperatur abgekühlt werden. Die kritische Temperatur für Wasser beträgt 374 °C. Vor dem Stickstoff- (Nein₂) beträgt die kritische Temperatur -147 °C. Stickstoff ist bei Raumtemperatur immer ein Gas, auch unter sehr hohem Druck.

Dampfdruck

Die Verdunstung einer Flüssigkeit hängt von der Temperatur ab. Die schnellsten Moleküle bei einer bestimmten Temperatur können der Flüssigkeitsoberfläche entkommen. Da sich im Raum über der Flüssigkeit auch Moleküle befinden, fallen auch Moleküle in die Flüssigkeit zurück. Dieser Rückfluss ist daher abhängig von der Anzahl der Partikel in der Dampfphase knapp über der Flüssigkeit, der sogenannte Dampfdruck. Befinden sich die beiden Partikelströme im Gleichgewicht, liegt eine Sättigung von 100 % vor, die auch von der Temperatur abhängt. Bei Nettoverdampfung liegt die Sättigung unter diesem Prozentsatz. Bei der Verdunstung von Wasser an Luft wird dieser Sättigungsgrad ausgedrückt als Feuchtigkeit. Wenn die Luftfeuchtigkeit aufgrund des Temperaturabfalls mehr als hundert Prozent beträgt, beginnt der Dampf zu verdampfen kondensieren, wie der Wasserdampf über der Pfanne auf dem Foto. Auch bei sich ausdehnender und damit kühlender Luft entstehen auf diese Weise Wolken.

Koch

Das Kochen ist eine spezielle Form des Verdampfens. Wenn eine Flüssigkeit so stark erhitzt wird, dass die Temperatur über Siedepunkt Überall in der Flüssigkeit bilden sich Blasen und es tritt viel Verdunstung auf. Wenn die Wärmequelle ausgeschaltet wird, wird das Kochen beendet. Der Siedepunkt ist für jede Flüssigkeit unterschiedlich und hängt auch vom Druck ab.

Beschleunigen Sie die Verdunstung

Die Verdunstung kann durch drei Dinge beschleunigt werden:

• Erhöhen der Temperatur
• Den Dampf ablassen
• Flüssigkeitsoberflächenvergrößerung

Verdampfungswärme und Kondensationswärme

Beim Verdampfen ohne externe Wärmequelle sinkt die Temperatur der Flüssigkeit. Das ist zum Beispiel zu spüren, wenn man auf etwas bläst Aceton die an der Hand gerieben wurde, oder durch Blasen gegen ein verschwitztes (so feuchtes) Stück Haut. Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeitsmoleküle, so dass das Entweichen der schnellsten Moleküle die Flüssigkeit kälter macht.

Thermodynamik

Es gibt eine Formel, um die Kondensationswärme am Siedepunkt zu bestimmen. (Die Verdampfungswärme ist eine negative Größe und ihr Betrag entspricht der Kondensationswärme.) Die Kondensationswärme ist wenig temperaturabhängig und kann daher auch bei niedrigeren oder höheren Temperaturen genutzt werden:

(t_b), Δ_vG = 0, was bedeutet:

${displaystyle Delta ,_{v}S=S_{ ext{gas}}-S_{ ext{liquid}}=Delta ,_{v}H/T_{ ext{b}}}$

Darin ist so ist der Entropie, ein Maß für die Unordnung der Moleküle in einem Gas oder einer Flüssigkeit. huh ist der Energiegehalt bei konstantem Druck (die Abnahme von huh ist die Kondensationswärme). t_b ist die Temperatur am Siedepunkt in Kelvin.

In einer Flüssigkeit ist die Entropie geringer als in einem Gas. Aufgrund der Struktur von Wasser sind die Moleküle in der flüssigen Phase noch hochgeordnet, was bedeutet, dass Wasser eine bemerkenswert hohe Verdampfungswärme besitzt. Das Verdampfen von Wasser benötigt fünfmal so viel Energie wie das Erhitzen des Wassers von 0 °C auf 100 °C. Die Verdunstung von Wasser ist daher ein effizientes Kältemittel, das in der Klimatisierung und zur Regulierung der Körpertemperatur von Säugetieren und Vögeln verwendet wird. Die Verdampfungswärme wird auch genutzt für Kältetechnik, aber dann ist es notwendig, einen Stoff zu verwenden, der noch eine beträchtliche Dampfdruck hat bei niedrigen Temperaturen (Ammoniak, freon).

Volumenzunahme

Das Volumen des verdampften Stoffes hängt grob von der Anzahl der Partikel ab, ohne dass es auf die Größe oder Masse dieser Partikel ankommt. 1 kg Wasser nimmt in der Flüssigphase etwa 1 dm³ ein. Die Anzahl der Teilchen kann berechnet werden aus molekulare Masse (18) und Avogrados Zahl (N) (6 * 10²³), d. h. die Anzahl der Partikel in 1 Mol. Ein Mol ist eine Stoffmenge, die dem Molekulargewicht in Gramm entspricht. 1 Mol Wasser hat eine Masse von 18 Gramm.

Das ausgewählte 1 kg Wasser enthält somit 1000 Gramm/18 Gramm = 55,5 Mol Wasser. Als Faustregel gilt, dass N-Moleküle (zusammen 1 mol) bei Atmosphärendruck ein Volumen von 22,4 Liter (=22,4 dm³) einnehmen (Ideales Gasgesetz). Das Endvolumen beträgt also 22,4 * 55,5 = 1243 dm³. Die Abstände zwischen den Molekülen sind damit etwas mehr als zehnmal größer geworden und das Volumen mehr als tausendfach.^[3]

Findet die Verdunstung in atmosphärischer Luft statt, lässt sich auch berechnen, wie viel trockene Luft benötigt wird, um diese Wassermenge aufzunehmen. Bei 20 °C beträgt der Wasseranteil nur 2,4 % der Gesamtluftmenge. Aufgrund der hohen Kondensationswärme steigt die Wassermenge, die sich in der Gasphase im Gleichgewicht befindet, mit der Temperatur entsprechend der Clausius-Clapeyron-Gleichung.

Einfluss von Wind

Wenn wir mit dem vorherigen Berechnungsbeispiel fortfahren, sehen wir, dass zur Aufnahme eines Liters Wasser 1243 Liter Wasserdampf gebildet werden. Es braucht also 1243/0,024 = 51 Kubikmeter trockene Luft, um diese Wassermenge aufzunehmen. Der Luftaustausch ist daher für eine schnelle Verdunstung sehr wichtig. Ohne Wind bildet sich über dem Wasser schnell eine gesättigte Luftschicht und die Verdunstung wird begrenzt. Die obige Tabelle zeigt auch, wie wichtig der Einfluss der Temperatur ist. Beachten Sie, dass der Dampfdruck bei 50 °C nur etwa 12% des Dampfdrucks bei 100 °C beträgt. Deshalb heizen Wäschetrockner die Luft stark.

Sublimation

Wenn Moleküle oder Atome in einem Festkörper in die Gasphase übergehen, nennt man dies Sublimat. Dies geschieht, wenn es geschneit hat und der Schnee in die trockene Luft aufgenommen wird, ohne vorher zu schmelzen. Abgesehen vom Namen gibt es jedoch keinen grundlegenden Unterschied zwischen Verdunstung und Sublimation. Die Umkehrung der Sublimation ist Desublimation (z.B. Bildung von Schnee oder einige Formen von reif).

Relevante Faktoren für die Verdunstung

• Konzentration der Substanz in der Gasphase

Wenn bereits viel von einer Substanz in der Gasphase vorhanden ist, tritt weniger Nettoverdampfung auf

• Konzentration anderer Stoffe in der Gasphase

Auch das Vorhandensein anderer Stoffe in der Gasphase kann die Kapazität verringern

• Wenn da andere Stoffe in dem Flüssigphase sinkt dann die Verdunstung
• Luftzug, die Luftströmung ist wichtig für den Konzentrationsunterschied, die Oberfläche der Oberfläche kann sich durch Wellen auch etwas vergrößern.
• Intermolekularen Kräfte

Je größer die Kräfte zwischen den Partikeln in der flüssigen Phase sind, desto mehr Energie muss zur Verdampfung zugeführt werden.

• Luftdruck

In einem Tiefdruckgebiet es gibt mehr Verdunstung, weil Wasser leichter von der Oberfläche entweichen kann

• Oberfläche

Je größer die Oberfläche, desto stärker die Verdunstung.

• Temperatur

Je höher die Temperatur, desto mehr Verdunstung.

• Dichte

Je höher die Dichte der Flüssigkeit, desto geringer die Verdunstung.

übertragene Bedeutung

In Holländisch, verdampfen häufig im übertragenen Sinne verwendet, um anzuzeigen, dass etwas verschwunden ist, insbesondere im Fall von Kapital.