Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 1/19 ahoefler.de Unter normalen Bedingungen ist Kohlenstoffdioxid bei Raumtemperatur zwar gasförmig, jedoch lässt sich auch dieser Stoff soweit abkühlen bis er völlig erstarrt ist. Dies ist bei Temperaturen unterhalb -78,5 °C der Fall. In diesem Zustand liegt das CO2 als erstarrter Festkörper vor. Quelle: MarkS Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 2/19 ahoefler.de Während des Abkühlvorgangs ist das CO2 nicht verflüssigt worden! Es haben sich direkt aus der Gasphase feste Partikel ausgeschieden. Umgekehrt wird bei Wärmezufuhr das gefrorene CO2 auch wieder direkt in den gasförmigen Zustand übergehen, ohne sich dabei zu verflüssigen. Quelle: Christopher Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 3/19 ahoefler.de Während des Abkühlvorgangs ist das CO2 nicht verflüssigt worden! Es haben sich direkt aus der Gasphase feste Partikel ausgeschieden. Umgekehrt wird bei Wärmezufuhr das gefrorene CO2 auch wieder direkt in den gasförmigen Zustand übergehen, ohne sich dabei zu verflüssigen. Eine EineAggregazustandsänderung Aggregazustandsänderung die direkt die direktvom vomfesten festenininden dengasgasförmigen Zustand führt, nennt förmigen Zustand führt, nennt man manSublimieren. Sublimieren.Der DerUmkehrUmkehrprozess heißt Resublimieren. prozess heißt Resublimieren. Quelle: Christopher Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 4/19 ahoefler.de Da das Kohlenstoffdioxid im gefrorenen Zustand eine ähnliche weiße Struktur wie Eis aufweist, jedoch aufgrund der Sub- bzw. Resublimation nicht verflüssigt bzw. "nass" wird, spricht man auch von Trockeneis. Quelle: MarkS Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 5/19 ahoefler.de Nicht nur Kohlenstoffdioxid hat die Eigenschaft unter normalen Bedingungen zu sub- bzw. zu resublimieren. Auch Iod zeigt dieses Verhalten und beginnt sogar bereits bei Raumtemperatur zu sublimieren. Iod Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 6/19 ahoefler.de Der normalerweise auftretende Sublimationsprozess schließt ein Schmelzen und Verdampfen jedoch nicht von vorne herein aus. So kann auch Iod prinzipiell auch zum Schmelzen und sogar zum Verdampfen gebracht werden, wenn nur rasch genug erwärmt wird bevor alles sublimiert ist. Iod ϑsiede =184 °C ϑschmelz =114 °C Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 7/19 ahoefler.de Um den Sublimationsprozess des pulverförmigen Iods eindrucksvoll demonstrieren, sollte dieses in einem erhitzten Wasserbad erwärmt werden, damit eine Maximaltemperatur von 100 °C gegeben und sichergestellt ist, dass der Schmelzpunkt des Iods nicht überschritten wird. °C Wasserbad Iod OFF ON Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 8/19 ahoefler.de Um den Sublimationsprozess des pulverförmigen Iods eindrucksvoll demonstrieren, sollte dieses in einem erhitzten Wasserbad erwärmt werden, damit eine Maximaltemperatur von 100 °C gegeben und sichergestellt ist, dass der Schmelzpunkt des Iods nicht überschritten wird. °C Wasserbad Iod OFF ON Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 9/19 ahoefler.de Schließlich lässt sich auch für den Sublimationsvorgang eine spezifische Sublimationswärme qSub angeben, die Aufschluss darüber gibt wie viel Wärmeenergie Q zugeführt werden muss, um eine bestimmte Masse m eines vorliegenden Stoffes zu sublimieren. Qsub Sublimieren gasförmig fest Q qsub = msub sub Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 10/19 ahoefler.de Auch dabei gilt wiederum, dass für den umgekehrten Fall der Resublimation dieselbe Wärmemenge wieder abgeführt werden muss. Spezifische Sublimations- und Resublimationswärme sind demnach wieder identisch. Sublimieren Qsub Resublimieren gasförmig fest Q qsub = msub sub Q = qres = mres res Qres Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 11/19 ahoefler.de Prinzipiell besitzt jeder Stoff die Fähigkeit zur Sublimation. Auch Wasser kann unter bestimmten Bedingungen direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen ohne sich dabei zu verflüssigen. Dies ist lediglich eine Frage wie niedrig der umgebende Druck ist. Sublimieren gasförmig fest Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 12/19 ahoefler.de Aber auch unter normalen Bedingungen beobachtet man bei Wasser bereits eine Sublimation, die dann jedoch in wesentlich geringerem Maße abläuft. So wird bspw. ein gefrorenes Kleidungsstück nach dem Waschen auch im Winter bei Minusgraden schließlich irgendwann „trocken“! Sublimieren gasförmig fest Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 13/19 ahoefler.de Aber auch unter normalen Bedingungen beobachtet man bei Wasser bereits eine Sublimation, die dann jedoch in wesentlich geringerem Maße abläuft. So wird bspw. ein gefrorenes Kleidungsstück nach dem Waschen auch im Winter bei Minusgraden schließlich irgendwann „trocken“! Sublimieren gasförmig Eine Einesolche solche„Trocknung“ „Trocknung“durch durch Sublimation Sublimationwird wirdauch auchGeGefriertrocknung genannt. friertrocknung genannt. fest Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 14/19 ahoefler.de Der Druckpunkt ab dem ein Stoff bei einer bestimmten Temperatur direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht (also sublimiert) nennt man Tripelpunkt. Oberhalb des Tripelpunktes existieren die Phasenübergänge schmelzen und verdampfen und unterhalb ein sublimieren. Zustandsdiagramm (schematisch) gasförmig Druck Sublimieren Schmelzve druckkur fest flüssig Tripelpunkt fest kritischer Punkt ns o i t ma rve i l b Su ckku dru pf- ve m a D kur k c d ru Temperatur gasförmig Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 15/19 ahoefler.de Der Druckpunkt ab dem ein Stoff bei einer bestimmten Temperatur direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht (also sublimiert) nennt man Tripelpunkt. Oberhalb des Tripelpunktes existieren die Phasenübergänge schmelzen und verdampfen und unterhalb ein sublimieren. Zustandsdiagramm (schematisch) Druck Sublimieren Schmelzve druckkur gasförmig Exakt im Tripelpunkt existieren Exakt im Tripelpunkt existieren die diedrei dreiPhasen Phasenfest, fest,flüssig flüssigund und gasförmig stabil nebeneinander, gasförmig stabil nebeneinander, wodurch wodurchsich sichauch auchdie dieBegriffsBegriffswahl wahlTripelpunkt Tripelpunkterklärt. erklärt. fest flüssig Tripelpunkt fest kritischer Punkt ns o i t ma rve i l b Su ckku dru pf- ve m a D kur k c d ru Temperatur gasförmig Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 16/19 ahoefler.de Ist es energetisch günstiger einen Stoff knapp oberhalb des Tripelpunktes zunächst zu verflüssigen und anschließend zu verdampfen oder ist ein Druck unmittelbar unterhalb des Tripelpunktes günstiger, da dabei "nur" der Sublimationsvorgang durchlaufen werden muss? Zustandsdiagramm (schematisch) gasförmig Druck Sublimieren Schmelzve druckkur fest flüssig Tripelpunkt fest kritischer Punkt ns o i t ma rve i l b Su ckku dru pf- ve m a D kur k c d ru Temperatur gasförmig Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 17/19 ahoefler.de Der Energieerhaltungssatz liefert hierzu eine klare Antwort: keine Variante ist günstiger! Sonst könnte man ja durch einen geschickt gewählten Kreisprozess permanent Wärmeenergie "gewinnen", wenn die eine Variante energetisch günstiger wäre als die andere. Zustandsdiagramm (schematisch) gasförmig Druck Sublimieren Schmelzve druckkur fest flüssig Tripelpunkt fest kritischer Punkt ns o i t ma rve i l b Su ckku dru pf- ve m a D kur k c d ru Temperatur gasförmig Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme © A. Höfler Folie 18/19 ahoefler.de Hieraus lässt sich folgern, dass aufgrund der Energieerhaltung die spezifische Sublimationswärme qsub der Summe aus spezifischer Schmelzwärme qS und spezifischer Verdampfungswärme qV entspricht (gleiche Temperatur vorausgesetzt). gasförmig a rd Ve m qsub qV el ze n fest Sc hm Sublimieren en pf flüssig qsub = qS + qV qS Thermodynamik – Spezifische Sublimationswärme ENDE © A. Höfler Folie 19/19 ahoefler.de
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