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Binodalen, Konoden und das Hebelbesetz - Dampfdruckdiagramm und Siedediagramm eines idealen Zweikomponentensystems?

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Wir wollen zwei Flüssigkeiten mischen, genauer gesagt: zwei Substanzen mit ähnlicher Flüchtigkeit und wollen uns über die Phasenübergänge, die dann möglich sind, unterhalten. Wir mischen zum Beispiel 1 mol Isopropylalkohol (IPA) mit 1 mol Isobutylalkohol (IBA) abgekühlt und erhalten 2 mol Mischung. Wenn
wir diese 50:50 Mischung in ein evakuiertes Gefäß geben, so bildet sich ein Phasengleichgewicht flüssig/gasförmig aus. Während die Flüssigphase etwa 50 % IPA enthält, wird die Gasphase jedoch eine andere Zusammensetzung haben. Sie wird
angereichert sein am Leichtsieder. Um ein Zweikomponenten-Zweiphasen-System eindeutig zu beschreiben, benötigen wir eine Angabe der Temperatur, eine Angabe des Gesamtdruckes und eine Angabe der Zusammensetzung der Flüssigphase, der Gasphase. Wenn wir diese Zustandsgrößen gegeneinander aufzeichnen erhalten wir ein dreidimensionales Diagramm. Die x-Achse ist rechts und links begrenzt; sie verläuft von reinem A (xB=0) zu reinem B (xB=1) Dies ist typisch für Phasendiagramme von Zweikomponentensystemen: Die x-Achse ist begrenzt und verläuft von Null bis Eins. Alle möglichen Zusammensetzungen A/B des Systems sind auf dieser Achse abzulesen. Wir betrachten zunächst die pT-Ebene für reines B (rot) die Achse, die nach hinten verläuft, ist die Temperaturachse, die Achse, die
nach oben verläuft, ist die Druckachse; die rot gezeichnete Kurve ist die Dampfdruckkurve von reinem B. Den Siedepunkt von reinem B finden wir, wenn wir den Standarddruck p° einzeichnen und den
Schnittpunkt dieser isobaren Fläche mit der Dampfdruckkurve ermitteln. Ähnlich können wir für reines A verfahren (blau) A ist hier lokalisiert; die Dampfdruckkurve von A verläuft an dieser Stelle und der Siedepunkt von reinem A ist dieser Punkt Jeder Punkt in diesem dreidimensionalen Diagramm stellt einen Zustand dar; wir sind in der Lage, zu sagen wo das System einphasig und wo es zweiphasig ist. Einphasig flüssig ist das System oberhalb einer Fläche, die wir Siedefläche nennen. (eine
spezielle Binodale) Hier ist das System einphasig flüssig. Einphasig gasförmig ist das System unterhalb einer Fläche die wir Taufläche nennen. Zwischen Siedefläche und Taufläche ist das System heterogen, sowohl Flüssigphase als auch Gasphase liegen nebeneinander vor. Weil das dreidimensionale Diagramm etwas unübersichtlich sein kann, hat es sich eingebürgert, dass man Schnitte durch dieses Diagramm verwendet, um sich das Siedeverhalten und Tauverhalten von Zweikomponentenmischungen
zu veranschaulichen. Wenn wir einen Schnitt parallel zu einer Temperatur wählen, haben wir ein isothermes Diagramm, ein sogenanntes Dampfdruckdiagramm. Die Siede- und Tauflächen werden dann zu Siede- und Taulinien. Beachten Sie, dass
bei diesen Dampfdruckdiagrammen die Gasphase bei niedrigen Drücken und die Flüssigphase
bei hohen Drücken auftritt. Die gelbe Linie ist
die Siedelinie, die violette Linie ist die Taulinie. An der Taulinie lesen wir die Gasphasenzusammensetzung y (Molenbruch y) ab. An der Siedelinie lesen wir Flüssigphasenzusammensetzung x (Molenbruch x) ab. Häufig findet man Schnitte, die parallel zu einem Druck durch dieses dreidimensionale Gebilde erfolgen, die sogenannten Siedediagramme. Die Siedelinie verläuft hier bei niedrigen Temperaturen, die Taulinie bei hohen Temperaturen.
Wir wollen zunächst die
Dampfdruckdiagramme besprechen. Älteren Hier haben wir ein Dampfdruckdiagramm des Zweikomponentensystems Stickstoff / Sauerstoff bei einer Temperatur von 90 Kelvin. Die homogene flüssige Phase liegt bei hohen Drücken, Wirkung (mit (l) gekennzeichnet) die homogene Gasphase liegt bei niedrigen Drücken (mit (g) gekennzeichnet) Bei idealen Systemen (wie bei Sauerstoff und Stickstoff) ist die Siedelinie eine Gerade (1. Raoultsches Gesetz) sie verläuft vom Dampfdruck des reinen Stoffes B (Stickstoff) - 3,6 bar bis zum Dampfdruck des reinen Stoffes A (Sauerstoff) - 1,0 bar Die Taulinie hingegen ist konvex gekrümmt. Bei den reinen Stoffen treffen sich
Siedelinie und Taulinie. Zwischen Siede- und Taulinie findet sich der Zweiphasenbereich, in den wir beliebig viele Konoden einzeichnen können. Konoden sind horizontale Verbindungslinien zwischen Phasen, die im Gleichgewicht vorliegen. Wir wollen an diesem Diagramm diskutieren wie sich Luft verhält, wenn wir sie komprimieren bei 90 Kelvin. Wir starten mit einem Druck von 1 bar- Luft hat eine Zusammensetzung 79 Prozent Stickstoff - das heißt wir sind an diesem Punkt hier. Wenn wir den Druck auf 2 bar erhöhen, befinden wir uns im Zustand (1). Wir erhöhen weiter den Druck, erreichten dann den Punkt 2 und jetzt schneiden wir mit der Isoplethen (Senkrechten) die Binodale (oder Binode) der Taulinie. das heißt: Bei einem Druck von 2,4 bar kondensiert die erste Flüssigkeit aus dem Gas aus. Wir haben einen zweiphasigen Zustand.
Die Flüssigkeit, die auskondensiert, hat aber nicht die Zusammensetzung 0,79. Sie ist angereichert am Schwersieder. Wenn ich die Zusammensetzung der Flüssigkeit wissen will, muss ich die Konode befragen: Ich
muss den Schnittpunkt der Konode mit der anderen Binodale (mit der Siedelinie)
bestimmen. Wir erhalten etwas 0,6 als Zusammensetzung der Flüssigphase. Wenn ich weiter komprimiere, also senkrecht nach oben gehe, bin ich im Zustand (3) mitten im zweiphasigen Gebiet. liegt Die Gesamtzusammensetzung meiner Mischung ist 0,79 (wie zu Beginn) aber die Flüssig-
und die Gasphase haben jeweils andere Zusammensetzungen, die ich an den Schnittpunkten der Konode mit den Binodalen ablesen kann. Ich lese die Zusammensetzung der
Gasphase immer an der Taulinie ab. (bei Zustand (3) etwa y=0,85) ich lese die Zusammensetzung der Flüssigphase immer an der Siedelinie ab (bei Zustand (3) etwa x=0,70) Die Gasphase ist
angereichert am Leichtsieder, die Flüssigphase ist angereichert am Schwersieder. Ich erhöhe den Druck weiter, bei einem Druck von 3,05 bar ist das gesamte System flüssig (Zustand (4)). Wenn wir ein Gasgemisch durch Druck komprimieren, dann ist während des Kondensationsprozesses weder der Druck noch die
Gemisch
Flüchtigkeit
Physikalische Chemie
Isobutylalkohol
Propanole
Gemisch
Phasengleichgewicht
Vorlesung/Konferenz
Gasphase
Vorlesung/Konferenz
Längsprofil
Gasphase
Vorlesung/Konferenz
Gasphase
Stoffmengenanteil
Vorlesung/Konferenz
Altern
Sauerstoff
Vorlesung/Konferenz
Reinstoff
Stickstoff
Gasphase
Gemisch
Gasphase
Gasgemisch
Vorlesung/Konferenz
Gasphase

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Binodalen, Konoden und das Hebelbesetz - Dampfdruckdiagramm und Siedediagramm eines idealen Zweikomponentensystems?
Serientitel Einführung in die Thermodynamik
Teil 36
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15679
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik, Chemie
Schlagwörter Physikalische Chemie
Thermodynamik

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