Stellt sich in einem mit Wasser gefülltem Druckbehälter bei 200°C der gleiche Druck ein, wenn der Behälter einmal zu 80% und einmal zu 100% gefüllt ist?
Wenn ich in einem massiven Druckbehälter zu 80% mit Wasser fülle und diesen dann auf 200°C erhitze entsteht ein Dampfdruck und das Wasser siedet nur bis ein gewisser Dampfdruck erreicht ist. Weiterhin bleibt das Wasser dann bei 200°C flüssig. Gemäß der Dampfdruckkurve müsste das ca. bei 25 bar / 2,5 N/mm² der Fall sein.
Wenn ich den Behälter nun vollständig mit Wasser fülle wird das sieden bereits bei 100°C nicht möglich sein, da Wasser eben nicht verdichtet werden kann. Aber bedeutet das, dass dann kein Druck auf den Behälter wirkt? Das kann doch nicht sein? Dann würde man den Behälter theoretisch gesehen auch auf 1000°C erhitzen können, ohne dass der Druck irgendwann den Behälter zum Sprengen bringen würde?
6 Antworten
Das Wasser will sich beim Erhitzen ausdehnen, und es ist sehr wenig kompressibel (viel weniger als ein Gas). Daher würde der Druck in einem starren, vollgefüllten Behälter beim Erhitzen sehr stark steigen und den Behälter rasch zum Platzen bringen.
Wie man das wirklich sauber durchrechnet, kann ich Dir leider nicht wirklich sagen, aber wir können eine Überschlagsrechnung machen: Dazu brauchen wir den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Wasser und die Kompressibilität. Beide sind leider stark druck- und temperaturabhängig, und deshalb ist meine Rechnung sehr unsauber (ich google mir die Zahlen rasch zusammen und ignoriere Temperatur und Druck).
Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ca. 0.02%/K. Ein Kubikmeter Wasser (=1000 l) dehnt sich also beim Erwärmen um 1 K um ca. 200 ml aus. Du willst von 100 °C auf 200 °C erwärmen, also haben wir eine Ausdehnung von ca. 20 l, oder 2% des Volumens. Wenn der Behälter diese Ausdehnung mitmacht (z.B. ein Gummiballon), dann gibt es keinen Druckanstieg.
Wenn der Behälter aber vollkommen starr wäre, dann schlägt die Kompressibilität zu, und die beträgt ungefähr 0.004%/bar. Unsere Kompression ist aber 2%, also erwarten wir einen Druck von ca. 500 bar.
Je nachdem, wie nachgiebig der Behälter ist, mußt Du also mit einem Druckanstieg zwischen Null und 500 bar rechnen.
das Sieden erfolgt dann bei höherem Druck, aber man braucht nicht das Sieden um den Druck aufzubauen. Druck ist Energiedichte, und so lange Energie zugeführt wird, steigt der Druck, auch in Flüssigkeit.
Der Dampfdruck ist unabhängig vom Raum, der ihm zur Verfügung steht!
Es macht also keinen Unterschied, wie fest der Behälter gefüllt ist.
Er wird zur genau gleichen Temperatur reissen oder platzen, egal wieviel Wasser da drin ist.
Einzig die Auswirkungen hängen vom möglichen Dampfvolumen ab, das sich dann bombenartig bildet.
Wenn der Behälter absolut voll mit flüssigem Wasser ist, hängt der Druck, der sich beim Erhitzen einstellt, von der Elastizität des Behälters ab. Ein völlig starres Material gibt es nicht, eine gewisse Elastizität ist immer vorhanden. Unter Umständen finden bei zu hohen Kräften im Material auch Fließvorgänge statt, die zu einer Volumenvergrößerung des Behälters führen. Im Extremfall kann er sogar reißen.
Ganz einfach: vollständig bei geringerer Temperatur mit Wasser gefüllt und dann erhitzt bedeutet, daß Dir der Kessel schon unterhalb von 100°C um die Ohren fliegt.
Füll den Druckbehälter mit Wasser von 4°C und erwärme laaaaangsam! oft reichen 50° aus.
Einfrieren klappt auch. Ich habe einen Gußeisentopf bei -6°C platzen sehen. Gab einen ordentlichen Rumms!
Da Wasser im Gegensatz zu Wasserdampf inkompressibel ist, sollte die Antwort so zutreffen.