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Kondensation und Erstarrung

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Team Realfilm
Kondensation und Erstarrung
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Grundlagen zum Thema Kondensation und Erstarrung

Stoffe wie Wasser können unterschiedliche Aggregatzustände annehmen. Dazu gehört der flüssige, der feste und der gasförmige Zustand. Zwischen diesen Aggregatzuständen können die Stoffe hin und her wechseln. Auch diese Wechsel haben besondere Namen. Der Wechsel von gasförmig zu flüssig heißt Kondensieren und der Wechsel von flüssig zu fest heißt Erstarren oder Gefrieren. Diese beiden Phasenübergänge begegnen dir häufig im Alltag, zum Beispiel wenn eine Scheibe beschlägt. Dieses Phänomen wird durch Wasserdampf ausgelöst, und zwar wenn dieser abkühlt und wieder zu Wasser wird. Was genau dabei passiert und was passiert, wenn das Wasser noch weiter abkühlt, wird dir im Video erklärt. Es gibt bei diesem Übergang – dem Erstarren – einen ganz besonderen Punkt, den Gefrierpunkt. Dir wird gezeigt, was diesen so besonders macht und wie er von unterschiedlichen Stoffen abhängt. Außerdem wird dir erklärt, was dabei jeweils im ganz Kleinen, also auf Ebene der Moleküle, passiert.

Transkript Kondensation und Erstarrung

Hast du dich schon einmal gefragt, warum einige Oberflächen, wie zum Beispiel Glas oder Metall, manchmal beschlagen? Der Grund dafür ist Kondensation. Wenn flüssiges Wasser erhitzt wird, wandelt es sich in ein Gas namens Wasserdampf um. Wenn dieser Wasserdampf auf eine kühle Oberfläche wie diese Glasröhre hier trifft, kühlt er sich ab. Er wandelt sich wieder in kleine Tropfen aus flüssigem Wasser um. Er kondensiert. Kondensation ist also der Vorgang, bei dem aus einem Gas eine Flüssigkeit wird. Was aber, denkst du, geschieht, wenn Wasser noch weiter abkühlt? Die Moleküle des Wassers verlieren Energie und bewegen sich immer langsamer. Bis sie sich nicht mehr frei bewegen, sondern nur noch schwingen können. Die Moleküle bilden nun eine feste Struktur. Das Wasser gefriert zu festem Eis. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit gefriert, nennt man den Gefrierpunkt. Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0 °C. Andere Flüssigkeiten haben andere Gefrierpunkte. Shampoo gefriert zum Beispiel bei minus 3 °C. Und Parfüm ist auch noch bei Temperaturen von unter minus 80 °C flüssig. Der Gefrierpunkt von Benzin liegt bei ungefähr minus 60 °C. Das bedeutet, dass es in deinem Auto nicht einfriert, selbst wenn es so kalt ist, dass Wasser schon längst gefroren wäre.

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. cool

    Von Jonas, vor 2 Monaten
  2. gut

    Von agent_bee_ressler, vor 12 Monaten
  3. top

    Von Luki, vor etwa einem Jahr
  4. SEHR GUT

    Von Itslearning Nutzer 2535 898610, vor mehr als einem Jahr

Kondensation und Erstarrung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kondensation und Erstarrung kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Vorgänge bei der Kondensation und dem Gefrieren.

    Tipps

    Wasser gefriert bei 0 °C zu Eis.

    Wenn Wasserdampf auf eine kalte Oberfläche trifft, entstehen Wassertröpfchen auf der Oberfläche. Diesen Vorgang nennt man Kondensation.

    Lösung

    Wenn wir flüssiges Wasser erhitzen, wandelt es sich in Wasserdampf um. Wenn dieser Wasserdampf auf eine kühle Oberfläche trifft, kühlt er sich ab und wandelt sich wieder in kleine Wassertropfen um. Diesen Vorgang nennen wir Kondensation.

    Kondensation ist also der Vorgang, bei dem aus einem Gas eine Flüssigkeit wird.

    Wenn Wasser hingegen weiter abkühlt, verlieren die Moleküle des Wassers Energie. Dadurch bewegen sie sich immer langsamer, bis sie sich nicht mehr frei bewegen, sondern nur noch schwingen können. Die Moleküle bilden nun eine feste Struktur. Das Wasser gefriert zu festem Eis.

    Das Gefrieren ist also der Vorgang, bei dem aus einer Flüssigkeit eine feste Struktur wird.

  • Gib jeweils den zutreffenden Gefrierpunkt an.

    Tipps

    Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit fest wird, nennt man den Gefrierpunkt.

    Wenn Benzin gefriert, sind Shampoo und Wasser schon lange gefroren. Parfüm ist aber noch flüssig.

    Lösung

    Der Gefrierpunkt von Wasser bildet den Anfang der Celsius-Skala, denn er liegt bei $0\ ^\circ \text{C}$. Kurz darunter gefriert Shampoo, nämlich bei $-3\ ^\circ \text{C}$. Benzin gefriert hingegen erst bei $-60\ ^\circ \text{C}$ und Parfüm noch unter $-80\ ^\circ \text{C}$.

  • Bestimme die jeweilige Siedetemperatur.

    Tipps

    Wenn man sich in größerer Höhe befindet, dann nimmt der Luftdruck immer weiter ab. Dadurch sinkt auch der Siedepunkt des Wassers.

    Der Druck wird in Pascal ($\text{Pa}$) gemessen. Ein Hektopascal ($\text{hPa}$) entspricht 100 Pascal.

    Lösung

    Wann ein Stoff wie Wasser siedet, kondensiert, schmilzt, gefriert oder sublimiert, hängt nicht nur von seiner Temperatur, sondern auch sehr stark vom Druck ab. In diesem Phasendiagramm kannst du zum Beispiel sehen, wie sich Wasser bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen verhält.

    Dass der Siedepunkt von Wasser stark vom Druck abhängt, kann man auf Bergen tatsächlich gut beobachten. Durch den geringeren Luftdruck kocht das Wasser schon deutlich unter $100\,\text{°C}$, sodass das Essen viel länger braucht, bevor es gar ist.

    In einem Schnellkochtopf macht man sich hingegen zunutze, dass der Wasserdampf aus dem abgeschlossenen Topf nicht entweichen kann. So steigt der Druck beim Kochen bis auf $1800\,\text{hPa}$ an und der Siedepunkt erhöht sich auf bis zu $117\,\text{°C}$. Bei dieser Temperatur wird das Essen viel schneller gar.

  • Bestimme die Phasenübergänge.

    Tipps

    Resublimieren ist der Umkehrvorgang zum Sublimieren.

    Wenn die Temperatur beispielsweise unter $0\,\text{°C}$ fällt und ein normaler Luftdruck von $1\,\text{bar}$ herrscht, dann gefriert flüssiges Wasser zunächst zu Eis.

    Lösung

    Ein Phasenübergang tritt auf, wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert, also beispielsweise, wenn flüssiges Wasser zu festem Eis gefriert. Welchen Phasenübergang ein Stoff macht, hängt von der Temperatur und dem Druck ab. In diesem Phasendiagramm kannst du zum Beispiel erkennen, welchen Aggregatzustand Wasser jeweils bei verschiedenen Bedingungen hat. Das Phasendiagramm sieht jedoch für jeden Stoff anders aus.

    Wenn die Temperatur beispielsweise unter $0\,\text{°C}$ fällt und ein normaler Luftdruck von $1\,\text{bar}$ herrscht, dann gefriert flüssiges Wasser zunächst zu Eis. Wenn nun der Luftdruck fällt, kann das Eis anschließend sublimieren, wobei es sich direkt in Wasserdampf umwandelt. Wenn hingegen Wasserdampf direkt zu Eis wird, dann resublimiert er.

  • Beschreibe den Vorgang beim Abkühlen von Wasser

    Tipps

    Eis schmilzt bei $0\ ^\circ\text{C}$.

    Bei $100\ ^\circ\text{C}$ siedet flüssiges Wasser.

    Lösung

    Kühlt Wasser ab, so verlieren seine Moleküle Energie. Dadurch bewegen sie sich immer langsamer, bis sie sich nicht mehr frei bewegen, sondern nur noch schwingen können. Die Moleküle bilden dann bei $0\ ^\circ\text{C}$ eine feste Struktur. Das Wasser gefriert zu Eis. Der Gefrierpunkt von Wasser beträgt also $0\ ^\circ\text{C}$.

  • Bestimme die Schmelzwärme.

    Tipps

    Berechne, wie viel Energie der Bunsenbrenner dem Wasser in der angegebenen Zeit jeweils zuführt.

    Beachte die Zeiteinheiten. Einige sind in Minuten gegeben, andere in Sekunden.

    Lösung

    Wenn ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen übergeht, verändern sich die Bindungen zwischen den Molekülen im Stoff. Dafür ist entweder eine gewisse Energie nötig, wie in dem Experiment von Professor Aydin, oder es wird Energie frei. Je nach dem Phasenübergang spricht man bei dieser Energie beispielsweise von der Schmelzwärme oder der Verdampfungswärme.

    Die Verdampfungswärme von Wasser beträgt $2257\,\text{Kilojoule pro Kilogramm}$ und seine Schmelzwärme beträgt $333\,\text{Kilojoule pro Kilogramm}$. Wie viel Wärmeenergie für den Phasenübergang nötig ist, hängt also auch von der Wassermenge ab. Bei dem obigen Ergebnis weißt du nun also auch, dass Professor Aydin wohl $1\,\text{kg}$ Wasser erhitzt hat.

    Mit den Werten von Professor Aydin kannst du die Verdampfungs- und Schmelzwärme wie folgt berechnen:

    • Schmelzwärme: $~185\ \frac{\text{kJ}}{\text{min}}\cdot 1,8\ \text{min}=333\ \text{kJ}$
    • Verdampfungswärme: $~185\ \frac{\text{kJ}}{\text{min}}\cdot 12,2\ \text{min}=2257\ \text{kJ}$
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