Hallo Experten,
ich grüble schon seit einiger Zeit über folgendes Problem. Es müsste formal möglich sein durch reine Druckerhöhung eine Aggregatzustandsänderung von flüssig nach fest zu erreichen. Mich interessiert dabei besonders ob zwangsläufig eine Änderung der Temperatur auftritt (Stichwort Schmelzwärme).
Gruss Reinhard
Ich sage jetzt mal, das ist nicht möglich. Stell dir einen abgeschlossen Raum mit dem Volumen V vor in dem ein Gas der Temperatur T und dem Druck P ist. Laut dem Gasgesetz ist PV/T=const. Erhöhst du den Druck, erhöht sich auch die Temperatur. Gas läßt sich nur dann verflüssigen bzw verfestigen (z.B. CO2), wenn gleichzeitig die überschüssige Wärme abgeführt und anschließend der Druck schlagartig erniedrigt wird (oder das Volumen vergrößert wird).
Oder anders, nimm Wasser und versuche glecihzeitig durch Druckerhöhung das Wasser in Eis zu verwandeln und dabei die Temperatur zu erhöhen.
Beth
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Es müsste formal möglich sein durch reine Druckerhöhung eine
Aggregatzustandsänderung von flüssig nach fest zu erreichen.
Das ist ohne weiteres möglich. Ein bekanntes Beispiel ist das Propangas für Campingkocher, welches flüssig ist, weil es unter hohem Druck steht und verdampft, sobald man den Druck verringert (indem man das Gefäß öffnet).
Wichtig ist, daß Van-der-Waals-Gase (ideale Gase kann man generell nicht verflüssigen) eine kritische Temperatur besitzen, oberhalb der sie durch keinen noch so hohen Druck mehr verflüssigt werden können. Bei Wasserstoff liegt die kritische Temperatur beispielsweise bei nur 33,3K. Deshalb muß der Wasserstoff in den Tanks von Wasserstoffautos unter diese Temperatur gekühlt werden.
Mich interessiert dabei besonders ob zwangsläufig eine
Änderung der Temperatur auftritt (Stichwort Schmelzwärme).
Jein. Theoretisch gibt es zwar isotherme Zustandsänderungen, diese sind in der Realität aber nur näherungsweise erreichbar, weil die bei der Kompression zugeführte Energie nicht beliebig schnell abgeführt werden kann. Wenn man also unbedingt eine isotherme Zustandsänderung anstrebt, dann muß man die Kompression sehr langsam durchführen und die Temperaturdifferenz zur Umgebung so wählen, daß der Wärmefluß nach außen genau so groß ist, wie die zugeführte Volumenarbeit. Eine isotherme Kompression ist aber garnicht nötig. Man kann das Gas auch gleich so zusammenpressen, daß es bei konstanter Temperatur flüssig werden würde, wobei es sich stark erhitzt. Dann muß man nur noch warten, bis es sich so weit abgekühlt hat, daß es kondensiert. Alternativ könnte man das Gas auch abkühlen bis es flüssig wird und dann im geschlossenen Gefäß erwärmen lassen, wobei es unter dem steigenden Druck flüssig bleibt.
Es müsste formal möglich sein durch reine Druckerhöhung eine
Aggregatzustandsänderung von flüssig nach fest zu erreichen.Das ist ohne weiteres möglich. Ein bekanntes Beispiel ist das
Propangas für Campingkocher, welches flüssig ist, weil es
unter hohem Druck steht und verdampft, sobald man den Druck
verringert (indem man das Gefäß öffnet).
Das beantowrtet aber nicht die Frage, schließlich war ein Übergang zwischen flüssig --> fest gefragt!
Ich selbst würde zu diesem Thema einfach sagen, daß solch ein Experiment immer dann funktionieren würde, wenn es das Phasendiagramm zuläßt.
Man kann ja auch eine entsprechende Anfangstemperatur wählen. (die es vl sogar ermöglicht unser Experiment völlig adiabatisch durchzuführen, obwohl ich mir in diesem Fall nicht 100%ig sicher bin)
Außerdem könnte man auch noch am Anfangsdruck ein bisschen herumfeilen (schließlich war nie die Rede von Normaldruck - oder?)
ziemlich chaotische Antwort - ich weiß, aber es ist schließlich noch sehr früh! 
mfg!
BStefan
Wie gesagt, es läßt sich nur verfestigen oder verflüssigen, wenn gleichzeitig die Temperatur abgesenkt wird. Wir sprechen ja hier vom machbaren und nicht vom idealen. Versuch doch mal, reines CO2-Gas allein durch hohen druck zu verfestigen, daß dann vor dir ein Klumpen CO2 liegt. Der Klumpen wird sich ja nicht selbst abkühlen. Erhöht man den Druck, erhöhr man die mittlere freie Weglänge zwishen den Molekülen, d.h. es treten verstärkt Reibungen auf - Wärme. Führe ich die Wärme ab und erniedrige danach den Druck wieder, habe ich entweder verflüssigt oder verfestigt. Auch Propangas existiert nicht flüssig bei Zimmertemperatur.
Beth
Konkreter :
Es müsste formal möglich sein durch reine Druckerhöhung eine
Aggregatzustandsänderung von flüssig nach fest zu erreichen.Das ist ohne weiteres möglich.
Das beantowrtet aber nicht die Frage, schließlich war ein
Übergang zwischen flüssig --> fest gefragt!
Danke erstmal für die Antworten allerdings habe ich jetzt noch ein paar Fragen.
Gegeben sei eine eutektoide Schmelze bei 412 °C bei P=1 bar. Nun soll schlagartige Druckerhöhung um 200 bar (oder mehr) erfolgen. Laut Phasendiagramm befinde ich mich dann im festen Aggregatzustand (Fixpunkt bei ca. 407 °C). Die molare Schmelzwärme der Legierung beträgt ca 8,4 kJ/mol. Dieser Enegiebetrag müsste doch irgendwie bei Zustandwechsel freiwerden und damit die Schmelzentemperatur erhöhen (Denkfehler?). Um eine spontane Erstarrung zu erreichen muss folgerichtig Energie abgeführt werden. Lässt sich dieser Energiefluss berechnen wenn die Erstarrung zb in 500ms erfolgen soll? Ist das überhaupt quantifizierbar?
Was passiert analog dazu in einer Druckgußmaschine?
Ich wäre sehr Dankbar wenn sich jemand dazu äußern könnte, denn je länger ich darüber grübele desto mysteriöser wird mir die Sache. *verweifel*
Gruss Reinhard
Wie gesagt, es läßt sich nur verfestigen oder verflüssigen,
wenn gleichzeitig die Temperatur abgesenkt wird.
Nein, es genügt, wenn die Temperatur konstant gehalten wird. natürlich gibt es Stoffe, die auch bei Normaltemperatur nicht durch handhabbare Drücke verflüssigt oder gar verfestigt werden können, weshalb die Frage auch nicht pauschal für jedes System beantwortet werden kann. Wenn das Phasendiagramm aber eine feste Phase bei Zimmertempertur aufweist, dann ist auch eine Verfestigung durch Druck möglich.
Versuch doch mal, reines CO2-Gas allein durch hohen druck zu verfestigen,
daß dann vor dir ein Klumpen CO2 liegt.
Solange ich 31°C nicht überschreite ist das durchaus möglich. Allerdings ist der notwendige Druck sehr hoch.
Der Klumpen wird sich ja nicht selbst abkühlen.
Warum nicht? Eine heiße Tasse Kaffee kühlt sich doch auch von selbst ab.
Erhöht man den Druck, erhöhr man die
mittlere freie Weglänge zwishen den Molekülen, d.h. es treten
verstärkt Reibungen auf - Wärme. Führe ich die Wärme ab und
erniedrige danach den Druck wieder, habe ich entweder
verflüssigt oder verfestigt.
Warum so umständlich? Wenn wir die Temperatur der Umgebung ein wenig absenken, dann würde Wärme aus unserer Apparatur fließen. Nun müssen wir den Druck so erhöhen, daß die Abkühlung durch den Wärmefluß nach außen exakt durch die Aufheizung infolge der Druckerhöhung kompensiert wird. Je weiter wir die Temperatur der Umgebung absenken, um so schneller können wir die Kompression durchführen, ohne daß sich die Temperatur ändert.
Auch Propangas existiert nicht flüssig bei Zimmertemperatur.
In Druckflaschen schon.
Es ist übrigens sogar möglich, Gase oberhalb der kritischen Temperatur zu verfestigen. Der Kern des Planeten Jupiters besteht beispilsweise aus Wasserstoff, der bei Temperaturen von mehreren tausend Kelvin allein durch Druck verfestigt wurde (sogenannter metallischer Wasserstoff). Die Drücke liegen allerdings jenseits von gut und böse.
Es gibt übrigens auch exotische verbindungen, die bei Druckerhöhung nicht von flüssig nach fest, sondern von fest nach flüssig wechseln. Dazu gehört auch Wasser. Wenn man Eis zusammenquetscht, dann wird es unterhalb von 0°C flüssig. Das ist auch der Grund, warum das Zeug so glatt ist.
Das beantowrtet aber nicht die Frage, schließlich war ein
Übergang zwischen flüssig --> fest gefragt!
Ich wußte ich hatte noch etwas vergessen :o)
Ich selbst würde zu diesem Thema einfach sagen, daß solch ein
Experiment immer dann funktionieren würde, wenn es das
Phasendiagramm zuläßt.
Dem habe ich nichts hinzuzufügen.
Man kann ja auch eine entsprechende Anfangstemperatur wählen.
(die es vl sogar ermöglicht unser Experiment völlig
adiabatisch durchzuführen, obwohl ich mir in diesem Fall nicht
100%ig sicher bin)
Adiabatisch wäre keine gute Idee, weil sich das System dan erhitzt. Besser wären isoperibole Bedingungen, also konstante Umgebungstemperatur, so daß die Wärme abfließen kann und die Temperatur annähernd konstant bleibt.
Außerdem könnte man auch noch am Anfangsdruck ein bisschen
herumfeilen (schließlich war nie die Rede von Normaldruck -
oder?)
Dann kann man es natürlich auch adiabatisch machen. Man muß nur Anfnagstemperatur und -druck so wählen, daß man entlang der Adiabaten auf den Zieldruck und Zimmertemperatur stößt.
Letztendlich ist es egal, von welchem Startpunkt aus und auf welchem Wege man zum Ziel gelangt, weil im Phasendiagrammm nur Zustandsgrößen auftauchen.
Nun soll schlagartige Druckerhöhung um 200 bar (oder mehr)
erfolgen. Laut Phasendiagramm befinde ich mich dann im festen
Aggregatzustand (Fixpunkt bei ca. 407 °C).
Wenn die Druckerhöhung zu schnell erfolgt, dann kann die frei werdende Wärme nicht abfließen und die Zustandsänderung ist quasiadiabatisch. Du würdest also bei einer wesentlich höheren Temperatur landen.
Die molare Schmelzwärme der Legierung beträgt ca 8,4 kJ/mol.
Dieser Enegiebetrag müsste doch irgendwie bei Zustandwechsel
freiwerden und damit die Schmelzentemperatur erhöhen
(Denkfehler?).
Nicht die Schmelztemperatur, sondern bestenfalls die Temperatur. Da das aber wieder zum Schmelzen und damit zur Abkühlung führen würde, wird sich das System bei adiabatischer Druckerhöhung an einer Phasengrenzen des Zustandsdiagrammes entlanghangeln, bis die Phasenumwandlung abgeschlossen ist. Danach geht es adiabatisch weiter.
Um eine spontane Erstarrung zu erreichen muss
folgerichtig Energie abgeführt werden. Lässt sich dieser
Energiefluss berechnen wenn die Erstarrung zb in 500ms
erfolgen soll? Ist das überhaupt quantifizierbar?
Theoretisch ist das ganz einfach. Du mußt nur die Schmelzwärme durch die zur verfügung stehende zeit dividieren. In diesem Fall wären das 16,8 kW/mol.
Theoretisch ist das ganz einfach. Du mußt nur die Schmelzwärme
durch die zur verfügung stehende zeit dividieren. In diesem
Fall wären das 16,8 kW/mol.
Da gebe ich Mr. Stupid vollkommen Recht.
Möchtest Du eine Temperaturerhöhung durch freiwerdende Kristallisationswärme verhindern ist es erforderlich das System zu kühlen.
Kühlst Du zu schnell, dann erfolgt die die Kristallisation nicht mehr gleichgewichtsnah.Das ist besonders dann ärgerlich, wenn man es auf die Struktur der entstehenden Kristalle absieht. Viele kleine Kristalle wären die Folge.
Kennst Du jedoch die gewünschte Zeit, so kannst Du den abzuführenden Wärmestrom ermitteln.
Aufgrund der hohen Temp. wäre das Kühlmittel Wasser nicht effektiv.
Man könnte hier die Schmelze eines eutektoiden Salzes verwenden. Die sind noch bei Temperaturen von bis zu 500 °C sicher verwendbar.
Man könnte hier die Schmelze eines eutektoiden Salzes
verwenden. Die sind noch bei Temperaturen von bis zu 500 °C
sicher verwendbar.
Was genau habe ich mir denn unter einem eutektoiden Salz vorzustellen? Die zu erstarrende Legierung befindet sich in einer Art Kokille. Die Abfuhr der Wärme kann doch nur mittels Leitung an der Gefäßwand erfolgen, oder?
Gruß Reinhard
Die Abfuhr der Kristallisationswärme erfolgt über die Reaktorwände.
Vermutlich hat die Kokille eine zylindrische Geometrie.
Diese könntest Du in die Salzschmelze lassen.
Wenn Dir nun die in der Kokille befindliche Stoffmenge bekannt ist, kannst Du daraus die anfallende Enthalpie ermitteln.
Unter einem eutektoiden bzw eutektischen Salz versteht man eine Legierung, in welcher sich die Legierungselemente im festen Zustand nur bedingt bzw gar nicht ineinander lösen.
Im flüssigen ist vollkommene Löslichkeit gegeben.
Genauer gesagt sollte man also eine eutektische Salzschmelze eines ternären Systems verwenden. ( 3 Komponenten)
Die spez. Wärmekapazität technischer Salzschmelzen liegt bei ca. 1,5 bis 1,6 kJ/kmolK.Genaueres müßte ich Nachschlagen.
Du kennst also nun den abzuführenden Wärmestrom und kannst so die erforderliche Salzmenge bestimmen um genau diesen abzuführen.
Tschüss