Wie messen Wissenschaftler den Dampfdruck?

Experiment: Wir haben einen Zylinder mit einem Kolben, der im Wesentlichen gewichtslos, reibungsfrei und atmosphärischem Druck ausgesetzt ist. Der Zylinder hat ein Volumen von 2 V, ist aber zur Hälfte mit Wasser und zur anderen Hälfte nur mit Luft gefüllt, die die gleiche Dichte wie die Atmosphäre hat. Das Wasser beginnt knapp über seinem Gefrierpunkt (also sein Dampfdruck ist 0). An diesem Punkt schwebt der Kolben gerade über dem Wasser, weil der Luftdruck im Inneren des Zylinders gleich dem Luftdruck an der Außenseite ist.

Nehmen wir an, wir haben das Wasser auf 70 Grad Celsius** erhitzt. Der Kolben würde sich ausdehnen, weil der Wasserdampfdruck ansteigt. Schließlich erreicht die Wasserdampfverdampfungs- und Wasserdampfkondensationsrate ein Gleichgewicht und der Kolben würde aufhören, sich auszudehnen. Woher wissen wir, wie hoch der Dampfdruck des Wassers ist? Das Volumen ist jetzt größer, sodass die Luft jetzt weniger dicht ist (so dass ihr Partialdruck weniger als 1 atm beträgt), was bedeutet, dass der Rest des Drucks auf den Wasserdampf entfällt.

Dies ist meine Vermutung, wie Wissenschaftler den Dampfdruck berechnen würden. Aber ehrlich gesagt scheint es viel einfacher zu sein, wenn wir einen neuen Begriff namens „Dampfhöhe“ schaffen würden. Dampfhöhe würde als definiert werden v / A erzeugt durch eine Lösung bei einer bestimmten Temperatur.

**Wir gehen davon aus, dass die Temperatur der Luftmoleküle nicht zunimmt.

Warum sagen Sie, dass der Dampfdruck eines Feststoffs Null ist? Das ist nicht der Fall.
Wenn sich Ihre Frage ausschließlich auf die Messung bezieht, kann der Dampfdruck durch Messen der Luftkapazität gemessen werden, und solche Sensoren sind verfügbar.
Nova, Sie müssen dies untersuchen, anstatt eine Methode vorzuschlagen, die nicht funktioniert und unpraktisch ist.

Antworten (1)

Der Kolben würde in Ihrem Fall tatsächlich für immer nach oben gehen, bis Ihnen die reale Thermodynamik in die Quere kommt. Irgendwann führt die Wärmeübertragung in oder aus Ihrem Gerät dazu, dass das gesamte Gerät ungleichmäßige Temperaturen aufweist.

Die gewünschte Messung ist tatsächlich viel einfacher zu erfassen, als Sie denken. Sie geben eine Menge Flüssigkeit in einen Behälter und ziehen ein Vakuum daran, um alle anderen Dinge (wie Luftmoleküle) herauszuziehen. Dies kann über eine Vakuumpumpe erfolgen, oder es könnte noch einfacher sein: Sie könnten einfach einen akkordeonähnlichen Behälter haben, die gesamte Luft herausdrücken, bis nur noch Flüssigkeit übrig ist (wie beim Zusammendrücken einer Zahnpastatube) und ihn verschließen. Wenn Sie dann das Akkordeon öffnen und die Kammer erweitern, erzeugen Sie eine Region, die nur mit Wasserdampf gefüllt ist, über einem Bereich mit Wasser darin (weil wir keine Luft eingelassen haben).

Sie haben es jedoch geschafft, Sie haben jetzt einen starren Behälter, der nichts als flüssiges Wasser und Wasserdampf enthält. Nichts anderes. Das ist wichtig, weil dadurch der Partialdruck des Wasserdampfes genau gleich dem Druck im Inneren des Behälters ist. Jetzt müssen Sie es nur noch thermisch ausgleichen lassen. Wenn Sie den Dampfdruck von Wasser bei 40 °C wissen möchten, heizen Sie das gesamte Gerät auf 40 °C auf und lassen Sie es sich ausgleichen.

Jetzt müssen Sie nur noch den Druck in der Kammer mit einem Manometer ablesen. Der abgelesene Druck ist der Dampfdruck des Wassers bei dieser Temperatur. Solange sich mindestens etwas Flüssigkeit und etwas Gas in der Kammer befinden, ist dies der richtige Druck.

Warum sollte sich der Kolben in der von mir vorgeschlagenen Situation für immer ausdehnen? Die Anzahl der Wassermoleküle in der Gasphase würde schließlich ein Gleichgewicht mit der flüssigen Phase erreichen, da bei allen Temperaturen unter dem BP Verdampfungsrate = Kondensationsrate ist.
Außerdem schlagen Sie vor, dass, wenn ich einfach einen Kolben mit Wasser (ohne Luft) hätte, dieser sich ebenfalls ausdehnen würde, bis alle Wassermoleküle schließlich zu Gas werden würden. Aber das würde nicht passieren, weil das chemische Potenzial ihrer Kondensation dafür viel zu hoch wäre.
@Nova Der Partialdruck ist ein fester Druck bei einer bestimmten Temperatur. Ihr Kolben hat keine Rückmeldung, was dazu führt, dass er mehr Druck auf die Innenseite des Behälters ausübt, wenn er sich nach außen bewegt. Es bewegt sich nach außen und vergrößert das Volumen des Behälters, wodurch mehr Wassermoleküle zu Gas werden, wodurch der Druck wieder auf den Dampfdruck ansteigt, wodurch der Kolben weiter nach außen gedrückt wird. Dies gilt, solange der Dampfdruck über dem atmosphärischen Druck liegt. Wenn der Dampfdruck bei oder unter atmosphärischem Druck liegt, bewegt sich der Kolben überhaupt nicht.
In der realen Welt würden Sie sehen, dass die Temperatur des Inhalts der Kammer (Gas und Flüssigkeit) aufgrund der Verdampfungswärme sinkt, wenn Moleküle verdampfen, was den Dampfdruck verringern würde, wenn Sie nicht Wärme hinzufügen, um 70 ° C aufrechtzuerhalten. Alternativ könnte Ihnen in der realen Welt einfach die Flüssigkeit im Behälter ausgehen.
Das Druckmessgerät in meiner Antwort ist Ihrem Kolben sehr ähnlich, aber sie sind so konstruiert, dass sie das Volumen nur sehr wenig erhöhen, wenn mehr Druck ausgeübt wird. Der Kolben hat diese Eigenschaft nicht. Es bewegt sich, solange der Druck innen größer ist als der Druck außen.
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