1 Kapitel 2: Stoffeigenschaften reiner Stoffe Prof. Dr.-Ing. Ch. Franke 1 Verdampfen und Verflüssigen 2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases 2.1.2 Kritischer Punkt 2.1.3 Das Nassdampfgebiet 2 Erstarren, Sublimieren und Tripelzustände 2.2.1 Erstarren einer Flüssigkeit und Schmelzen eines Festkörpe 2.2.2 Sublimation und Desublimation 2.2.3 Der Tripelpunkt und die Tripellinie 2.2.4 Die Zustandsfläche
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1 Kapitel 2:Stoffeigenschaften reiner Stoffe Prof. Dr.-Ing. Ch. Franke 2.1 Verdampfen und Verflüssigen 2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren.
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Kapitel 2: Stoffeigenschaften reiner Stoffe
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
2.1 Verdampfen und Verflüssigen
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases2.1.2 Kritischer Punkt 2.1.3 Das Nassdampfgebiet
2.2 Erstarren, Sublimieren und Tripelzustände
2.2.1 Erstarren einer Flüssigkeit und Schmelzen eines Festkörpers2.2.2 Sublimation und Desublimation2.2.3 Der Tripelpunkt und die Tripellinie2.2.4 Die Zustandsfläche
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Kapitel 2: Stoffeigenschaften reiner Stoffe
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
• für einen reinen Stoff unterscheidet man (grob) drei Phasen: Festkörper, Flüssigkeit und Gas
• im Weiteren behandeln wir nur die Phänomenologie (Lehre von den Erscheinungen) der Phasenübergänge
• man beobachtet drei Phasenübergänge und ihren Umkehrungen: flüssig ↔ gasförmig fest ↔ flüssig fest ↔ gasförmig
• die Umkehrungen verlaufen in allen Zustandsgrößen hysteresefrei
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Kapitel 2: Stoffeigenschaften reiner Stoffe
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
2.1 Verdampfen und Verflüssigen
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases 2.1.2 Kritischer Punkt 2.1.3 Das Nassdampfgebiet
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
• der Phasenübergang von der flüssigen in die Gasphase wird als Verdampfen, Sieden oder Kochen bezeichnet.
• der umgekehrte Phasenübergang wird als Verflüssigen, Kondensieren oder Tauen bezeichnet.
• die Umkehrung des Phasenübergangs verläuft in allen Zustandsgrößen ohne Hysterese
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
• die Kondensation verläuft als exakte Umkehrung der Zustandsänderung
• zunächst soll die isobare Verdampfung einer Flüssigkeit im Temperatur-Zeit-Verlauf betrachtet werden (t- -Diagramm)
• die Verdampfung soll durch Zufuhr eines konstanten Wärmestroms (gleiche Wärmemengen in gleichen Zeiten) hervorgerufen werden:
QQconstQ
Q
Die Zeitachse kann auch als Maß für die zugeführte Wärme ange-sehen werden!
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
t
• die isobare Verdampfung (Kondensation) beim Druck pI
Anfangspunkt beliebig im flüssigen Zustand beim Druck pI
1
m
gpU
A
UpA
gm
im t - -(Q)-Diagramm
zeitlich konstante Wärmezufuhr constQ Q
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
h.
Fra
nke
t
t´I
Siedetemperatur
erste Dampfblase
ausgezeichneter Zustand , tritt beipI immer bei dieser Temperatur t´I auf!
2
• die isobare Verdampfung (Kondensation) beim Druck pI
im t - -(Q)-Diagramm
Q
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t´´I = t´I
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
t
Taupunktstemperatur
t´I
ausgezeichneter Zustand , tritt bei pI immer bei dieser Temperatur t´´I auf!
letzter Flüssigkeitstropfen
4
• die isobare Verdampfung (Kondensation) beim Druck pI
konstante Temperatur t´ während der isobaren Verdampfung
im t - -(Q)-Diagramm
Q
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
r.-I
ng
. C
h.
Fra
nke
t
t´´I = t´I
Endpunkt beliebig im gasförmigen Zustand beim Druck pI
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• die isobare Verdampfung (Kondensation) beim Druck pI
im t - -(Q)-Diagramm
Q
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t´´II = t´II
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
nke
• die isobare Verdampfung bei pII > pI
t
t´´I = t´I
im t - -(Q)-Diagramm
Verlauf für pI
Verlauf für pII > pI
konstante Wärmezufuhr III QQ Q
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
nke
t
t´´I = t´I
QQf Qd
QÜ
FlüssigkeitswärmeVerdampfungs-wärme
Überhitzungswärme
• Bezeichnung der zugeführten Wärmemengen im t-Q-Diagramm für pI:
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t´´II = t´II
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
t
QQf Qd
QÜ
FlüssigkeitswärmeVerdampfungs-wärme
Überhitzungswärme
• Bezeichnung der zugeführten Wärmemengen im t-Q-Diagramm für pII:
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
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• die für die isobare Verdampfung benötigte Wärmemenge bei gegebenem Druck (Temperatur) ist eine Stoffgröße, wird als spezifische Wärme Qd/m ausgedrückt und heißt Verdampfungsenthalpie Δhd
• die Verdampfungsenthalpie Δhd nimmt mit zunehmendem Druck (Temperatur) ab
• z.B. wird für die vollständige Verdampfung von einem Kilogramm Wasser bei 1 bar (99,6°C) die spezifische Energie Δhd = 2258 kJ/kg benötigt, bei 130 bar (330,9°C) nur noch Δhd = 1132 kJ/kg
• die Verdampfungsenthalpie Δhd ist wesentlich größer als die Energie zum Erwärmen der Flüssigkeit
Beim Verdampfen wird sehr viel Energie gespeichert
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
• nun wird die isobare Verdampfung einer Flüssigkeit im Druck-(spezifisches) Volumen-Verlauf betrachtet (p-v-Diagramm)
• die Kondensation verläuft wieder als exakte Umkehrung der Zustandsänderung
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
• die isobare Verdampfung bei pI im p-v-Diagramm
Maßstab zur Messung des (spezifischen) VolumensMasse ist konstant
A
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
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ng
. C
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Fra
nke
v
v´
pI
p• die isobare Verdampfung bei pI
erste Dampfblase
im p - v -Diagramm
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
v´ v´´
pI
v
p
letzter Flüssigkeitstropfen
• die isobare Verdampfung bei pI im p - v -Diagramm
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
v´ v´´
pI
v
p• die isobare Verdampfung bei pI im p - v -Diagramm
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
nke
v´ v´´
pII
pI
v
p• die isobare Verdampfung bei pII > pI im p - v -Diagramm
III QQ
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
nke
v´ v´´
pII
pI
pIII
v
p• die isobare Verdampfung bei pIII > pII im p - v -Diagramm
IIII QQ
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
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ng
. C
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Fra
nke
v´ v´´
pII
pI
pIII
p
v
pIV
• die isobare Verdampfung bei pIV > pIII
IIV QQ
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• die Verbindung aller Anfangspunkte ergibt eine Isotherme im Flüssigkeitsgebiet
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
p
v
T1
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• die Verbindung aller Punkte des Siedebeginns ergibt die Siedelinie
• die Verbindung aller Punkte des Siedeendes ergibt die Taulinie
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeitund Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
nke
p
v
kritischer Punkt
• der Treffpunkt von Siede- und Taulinie heißt kritischer Punkt
T1
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
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. C
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Fra
nke
v
• die Verbindung aller Endpunkte ergibt eine überkritische Isotherme im Gasgebiet
T1 T5
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
p
v
kritischer Punkt
Nassdampf-gebiet
Gasgebiet
Flü
ssig
keits
gebi
et
Siedelinie Taulinie
• das Gebiet zwischen Siede- und Taulinie heißt Nassdampfgebiet
• das Gebiet rechts der Taulinie heißt Gasgebiet
• das Gebiet links der Siedelinie heißt Flüssigkeitsgebiet
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• im Flüssigkeitsgebiet praktisch senkrecht bis zur Siedelinie
• im Nassdampfgebiet wg. t´ = t´´ waagerecht bis zu Taulinie
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
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ng
. C
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Fra
nke
p
v
Taulinie
• im Gasgebiet abfallend ähnlich einer Hyperbel Siedelinie
Kompression von Flüssigkeiten verläuftisochor (Ideale Flüssigkeit)
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
p
v
Siedelinie Taulinie
• Besonderheit: das Gebiet rechts in der Nähe der Taulinie heißt Dampfgebiet
Dampfgebiet• der Zustand Dampf
oder überhitzter Dampf
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
h.
Fra
nke
Maßstäbliches p-v-Diagramm von Wasser
v m3/kg →
p b
ar
→
Sie
del
inie
Taulinie
Nassdampf
xd = 0
(überhitzter) Dampf
K
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
• das Zustandsdiagramm enthält noch eine dritte Achse, die T-Achse; im Fall des p-v- Diagramms geht diese in die Zeichenebene hinein
Blick von rechts im p-v-Diagramm aufs Nassdampfgebiet liefert die Darstellung im p-T- Diagramm
p
v
T
Blickrichtung
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
h.
Fra
nke
• das Nassdampfgebiet ist in Richtung steigender Drücke in die p-v-Ebene hinein gekrümmt
• wegen t´ = t´´ bei konstantem Druck liegen Siede- und Taulinie von rechts betrachtet übereinander
Nassdampfgebiet stellt sich im p-T- Diagramm als gekrümmte,im kritischen Punkt abbrechende Linie dar
p
v
T
Blickrichtung
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Verdampfung im p-T-Diagramm (qualitativ)
2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
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p
T
T1
Kpkrit
Tkrit
pII
pI
pIII
pIV
T5
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Fra
nke
p
T
Kpkrit
Tkrit
• Siede- und Taulinie fallen im p-T- Diagramm zusammen und bilden die Dampfdruckkurve• die Dampfdruckkurve trennt Flüssigkeits- und Gasgebiet
Gasgebiet
Flüssigkeitsgebiet• die Dampfdruckkurve bricht im kritischen Punkt ab
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
h.
Fra
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Maßstäbliches p-t-Diagramm reiner Stoffe
Bae
hr,
Kab
elac
: Thermodynamik
, S
prin
ger
Ver
lag,
13.
Auf
l.
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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ng
. C
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Zusammenfassung
• bei konstantem Druck verdampfen reine Stoffe bei konstanter Temperatur
• die Temperatur bei Siedebeginn heißt Siedetemperatur t´
• die Temperatur bei Siedeende heißt Taupunktstemperatur t´´
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
h.
Fra
nke
Zusammenfassung
• alle Zustandsgrößen auf der Siedelinie werden mit einem Strich gekennzeichnet, z.B.:
T´, m´,
• alle Zustandsgrößen auf der Taulinie werden mit zwei Strichen gekennzeichnet, z.B.:
T´´, m´´,
m
Vv
m
Vv
• die Zustände der Gebiete werden wie die Gebiete selbst bezeichnet, z.B. Nassdampfgebiet → Nassdampf Gasgebiet → Gas
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
f. D
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ng
. C
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Fra
nke
Zusammenfassung
• Flüssigkeit-, Gasgebiet, Siede- und Taulinie sind Ein-Phasen-Gebiete
• die Zustände auf der Siede- und Taulinie werden gesättigte Zustände genannt: gesättigte Flüssigkeit bzw. gesättigter Dampf oder Sattdampf
• Druck und Temperatur beim Verdampfen bzw. Kondensieren werden Sättigungsdruck bzw. Sättigungstemperatur genannt
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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. C
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• die Werte der Zustandsgrößen auf der Siede- und Taulinie, sowie die Verdampfungsenthalpie sind in den (Sättigungs-) Dampftafeln tabelliert die Tafeln gibt es als Druck- oder Temperatur-Tafeln
• der Gaszustand in der Nähe der Taulinie wird Dampf(zustand) genannt
• Dampf ist ein Realgaszustand, die Ideale Gasgleichung gilt nicht!
Zusammenfassung
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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spez. Volumen der siedenden Flüssigkeit v´spez. Volumen des Sattdampfes v´´weitere Zustandsgrößen im Siedezustandweitere Zustandsgrößen im Tauzustand• (Sättigungs-) Dampftafel für Wasser, hier Temperaturtafel
• Isovaporen sind Linie konstanten Dampfgehaltes xd
• Isovaporen laufen im kritischen Punkt zusammen
• Isovaporen teilen die Isobare entsprechend ihrem Wert zwischen Siede- und Taulinie linear auf
„Hebelgesetz“ der Phasen:Isovaporen(xd = const)
p
vv´ v´´vd
v-v
vvx d
d
xd = 0,8
0,8·(v´´-v´)
d
d
d
d
v-v
vv
x1-
x
= 0,8xd = 0xd = 1
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2.1.3 Das NassdampfgebietP
rof.
Dr.
-In
g.
Ch
. F
ran
ke
v-v
vvx d
d
• aus:
SSdSdSd pv-pvxpv x;pv
• thermische Zustandsgleichung im Nassdampfgebiet: spezifisches Volumen vd in Abhängigkeit von Sättigungsdruck pS und Dampfgehalt xd
• für alle Zustandsgrößen gibt es eine analog aufgebaute Zustandsgleichung im Nassdampfgebiet (kommt später)
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
Pro
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. C
h.
Fra
nke
Technische Relevanz von Verdampfung und Kondensation:
• in der Klimatechnik: Kühlung durch Verdampfung; Entfeuchtung durch Kühlung
• in der Kältetechniktechnik: Kühlgeräte und Wärmepumpen mit Kompressionstechnik
• in der Kraftwerkstechnik: Dampfkraftwerke, fossil betrieben oder mit biogenen Brennstoffen; Geothermische Kraftwerke (ORC-Prozesse); bei Großkraftwerken überkritische Verdampfung (285 bar, 600°C)
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2.1.1 Verdampfen einer Flüssigkeit und Kondensieren eines Gases
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Maßstäbliches p-v-Diagramm von Wasser
v m3/kg →
p b
ar
→
Sie
de
lin
ie
Taulinie
Nassdampf
xd = 0
(überhitzter) Dampf
K
überkritische Isothermen
kritische Isotherme
Isovaporen
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2.1 Verdampfen und Verflüssigen und Kondensieren eines Gases