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Tiefkalte flüssige Gase p V T Diagramm

Anhand des beispielhaft aufgeführten p V T Diagramms lassen sich die verschiedenen Zustandsänderungen von Gasen sehr gut beschreiben.

Oberhalb des kritischen Punktes ist der reine Stoff vollständig verdampft und liegt als reines Gas vor. Die Isothermen T1 und T2 können näherungsweise durch die idealen Gasgesetzte beschrieben werden. Die Isothermen T4 und T5 unterhalb der kritischen Temperatur durchlaufen jedoch das Zweiphasengebiet. In diesem Gebiet stehen Gasphase und Flüssigphase im Einklang. Mit sinkendem molarem Volumen nimmt der Flüssiganteil zu bzw. mit steigendem der Gasanteil.

PVT Diagramm, tiefkalte flüssige Gase

Schließt man eine Flüssigkeit in einem Behälter ein, so wird nach einiger Zeit ein Gleichgewichtszustand entstehen zwischen Flüssigphase und Gasphase. Der Dampfdruck des reinen Stoffes hängt hierbei nur von der Temperatur ab.

Die Dampfdruckkurve kann z.B. mit der Dampfdruckgleichung beschrieben werden.

Bei Volumenvergrößerung des Behälters wird die Flüssigkeit verdampfen, um das ursprüngliche Druckniveau zu halten. Die für die Verdampfung notwendige Wärme entzieht die Flüssigkeit der Umgebung, da die Temperatur der Flüssigkeit nicht sinken soll. Die notwendige Wärme hierzu wird Verdampfungsenthalpie genannt. Je größer das Volumenwachstum des Behälters ist, desto mehr Flüssigkeit wird verdampfen. Im Diagramm entspricht dies dem Verlauf von Punkt A nach Punkt B. Findet eine weitere isotherme Entspannung statt, entspricht diese dem Verlauf von Punkt B nach Punkt C. Von Punkt B nach Punkt C reduziert sich der Druck entsprechend, während über den gesamten Verlauf von Punkt A nach B über C die Temperatur T4 konstant bleibt.

Dieser Vorgang kann natürlich auch umgekehrt ablaufen, was zur Kondensation führt. Das Gas am Punkt C mit der Temperatur T4 wird isotherm verdichtet. Hierbei verringert sich das molare Volumen bei gleichzeitigem Anstieg des Drucks. Ab Erreichen des Punktes B gelangt das Gas ins Zweiphasengebiet. Ab diesem Punkt wird deutlich, dass das molare Volumen stetig abnimmt, ohne jedoch einen Druckanstieg zu verursachen. Mit sinkendem molaren Volumen nimmt der Flüssiganteil zu, bis im Punkt A eine 100%ige Flüssigphase erreicht wird. D.h. zwischen Punkt B und Punkt A beginnt die Kondensation des Gases bis bei Punkt A das gesamte Gas auskondensiert wurde.

Anhand des Diagramms lässt sich auch eine Verflüssigung durch Abkühlung erklären. Zu Beginn befindet sich das Gas oberhalb der kritischen Temperatur (T1> T3). Das Gas wird isochor abgekühlt. D.h., das molare Volumen während der Abkühlung von Punkt D auf Punkt E ändert sich nicht. Nachdem der Punkt E mit der Temperatur T5 erreicht wurde, führt weitere Energieabfuhr nicht zur weiteren Abkühlung des Gases. Ab hier gelangt das Gas wieder in das Zweiphasengebiet. Jeder weitere Energieentzug führt bei gleichbleibender Temperatur T5 zur Reduzierung des molaren Volumens und zur Auskondensation von Gas, bis zum Erreichen von Punkt F, wo 100% des Gases auskondensiert wurden.

Umrechnungsfaktoren für Gase finden Sie unter Stoffwerte von Gasen

Verflüssigung durch Abkühlung

 

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