Die um uns herum allgegenwärtige Luft ist für uns so selbstverständlich, dass wir sie erst bemerken, wenn sie irgendwo fehlt. Abgesehen davon, dass wir sie zum Atmen benötigen, hat sie noch einen anderen Effekt. Ihr Gewicht drückt mit einer Kraft von ca. 1kg pro Quadratzentimeter von allen Seiten auf einen Körper in Meereshöhe. Bei größeren Flächen können so schon extreme Kräfte auftreten. Wir bemerken es in der Regel aber nicht, da sich der Druck von allen Seiten zu Null addiert.
Druckumrechnung
Um die unterschiedlichen Druckangaben leichter umrechnen zu können,
folgt hier eine kurze Tabelle zur Umrechnung von Bar in Pascal bzw. Torr.
Bar und Pascal sind über den Faktor 10^5 miteinander verknüpft.
Torr leitet sich von der Steighöhe des Quecksilbers in einem Vakuumrohr
auf Meeresniveau ab. Das sind dann 760mm oder eben 760Torr.
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1 bar | 100000 Pa = 1000 hPa = 100 kPa | 750,06 Torr |
0,01 mbar | 1 Pa | 0,0075 Torr = 7,5 mTorr |
1,3332 mbar | 133,32 Pa = 1,3332 hPa | 1 Torr |
1013,25 mbar = 1,01325 bar | 101325 Pa = 1013,25 hPa | 760 Torr |
Um Versuche mit Vakuum durchführen zu können, benötigt man
eine so genannte Vakuumglocke. Das ist ein durchsichtiges Kunststoffgefäß
(aus Polyetherimid [PEI]), dass über eine Dichtung auf die Grundplatte
aufgesetzt wird. Durch den Luftdruck wird die Glocke dann von selbst auf
die Dichtung gepresst, wenn man aus dem Inneren Luft absaugt.
Achtung !
Eine beschädigte oder unsachgemäß behandelte Vakuumglocke
kann implodieren ! Auch wenn man meinen würde, dass sowieso alle Splitter
nur nach innen fliegen, sollte man bedenken, dass wenn sie sich in der
Mitte treffen, mit der gleichen Geschwindigkeit zurückgeschleudert
werden.
Man sollte sich deshalb nur auf professionelle Vakuumglocken verlassen,
und keinen Selbstbau versuchen. Siehe dazu Bezugsquellenliste.
Besonders Plexiglas, das man gerne verwenden würde ist ungeeignet,
da es sehr hart und spröde ist. Es kann unter Belastung schon bei
dem kleinsten Kratzer brechen.
Membranpumpe
=
Zum Absaugen der Luft benötigt man eine Pumpe. Man kann es wie hier
mit einer Membranpumpe versuchen, indem man sie zweistufig hintereinander
schaltet. Die Auslassseite der Endstufe ist mit der Saugseite der Vorstufe
verbunden. So erreicht man ein etwas besseres Vakuum. Es kommt aber keinesfalls
an das einer Kolben- bzw. Drehschieberpumpe heran !
Diese Pumpe erreicht ca. 160 mbar. Bei den Versuchen, wird später noch beschrieben, wie man das Vakuum leicht ohne Vakuummeter abschätzen
kann.
Drehschieberpumpe =
Das ist eine zweistufige, ölgedichtete Drehschieberpumpe. Sie erzeugt
ein sehr hohes Vakuum von 1,5*10^-3 mbar und hat eine Saugleistung von 1,5m³/h
bei Normaldruck. Diese Pumpen erreichen unter den mechanischen Pumpen das
höchste Vakuum und sind dementsprechend teuer. Weiters ist auch ein aufwendiges Zubehör,
die so genannten Kleinflansche, nötig. Im Bild sind solche auf der
Saugseite der Pumpe zu sehen. Auf einem T-Stück ist auf der rechten
Seite der Entlüftungshahn zu sehen und auf der linken Seite der Schlauchanschluss.
Nur mit diesen Bauteilen kann die Dichtheit erreicht werden, die für
dieses Vakuum notwendig ist. Diese Pumpen erzeugen am Auslass einen starken
Ölnebel. Ein Ölnebelfilter ist ebenfalls zu empfehlen. Für
Vakuumpumpen und Zubehör siehe Bezugsquellenliste.
Für die Versuche mit der Geißlerröhre
braucht man ein sehr gutes Vakuum, das nur mit dieser Pumpe zu erreichen
ist.
Turbomolekularpumpe
Für den Betrieb von Fernseh-, Elektronen- oder Röntgenröhren wird ein extrem hohes Vakuum benötigt.
Für dessen Erzeugung braucht man eine Hochvakuumpumpe, wie z.B. die Turbomolekularpumpe
oder auch nur Turbopumpe genannt. Turbopumpen erreichen ein sehr hohes Vakuum von bis zu 10^-10
mbar.
Das Prinzip einer Molekularpumpe ist bereits sehr lange bekannt, konnte
aber erst in jüngster Zeit durch die Turbopumpe technisch verwirklicht
werden. Sie verdankt ihren Namen dem extrem schnell
laufenden Rotor. In dieser Pumpe beträgt die Rotordrehzahl
60.000U/min (synchrone Drehzahl),
die nur nach mehreren Minuten Hochlauf und nur in einem Vorvakuum von
mindestens
0,1 mbar überhaupt erst möglich wird. Wie der Name schon
sagt,
arbeitet die Pumpe auf molekularer Ebene. Der Rotor sieht zwar aus wie
eine
Turbine, hat aber eine etwas andere Funktion. Für den Betrieb ist
es
maßgeblich, dass die freie Wegstrecke, die ein Molekül bis
zu
einem Zusammenstoß mit einem anderen zurücklegen kann,
größer
ist, als der Abstand zwischen Rotor zu Stator. Wenn das durch ein
ausreichend
hohes Vorvakuum gewährleistet ist, dann erteilt der Rotor jedem
auf
ihm auftreffenden Molekül einen zusätzlichen Impuls in
Drehrichtung.
Da das Molekül danach keine Möglichkeit hat, diesen an andere
Moleküle
weiterzugeben, bildet sich so aus der normalerweise ungerichteten
Wärmebewegung
eine gerichtete Molekülbewegung zur Vorpumpe hin aus, welche die
Moleküle
dann absaugt. Damit dieser Effekt maßgeblich die Bewegung der
Moleküle beeinflussen kann, ist es nötig, dass die
Rotorgeschwindigkeit im Bereich der mittleren
Molekülgeschwindigkeit liegt. Bei 20°C liegt die
mittlere Geschwindigkeit der Luftmoleküle bei etwa 500m/s. Für den
Rotor der Pumpe mit 10cm Durchmesser ergibt sich eine
Tangentialgeschwindigkeit von 314m/s.
Das
Video zeigt einen kurzen Ausschnitt aus dem Hochlauf der Turbopumpe. Da sie
für die Aufnahme natürlich geöffnet werden musste, erreicht
sie unter normalen Luftdruck nicht die Nenndrehzahl. Der Asynchronmotor in
der Pumpe wird über einen Frequenzumrichter gespeist. Zu Beginn hört
man, wie dieser die Frequenz herunterfährt, um den Rotor zu fangen,
falls dieser schon läuft. Die Frequenz der 3-phasigen Drehspannung bei Nenndrehzahl beträgt 1kHz.
Mikhail P. Beshok aus Russland hat in einem Artikel im New Energy Technologies Magazine, Issue #4(13) July-August 2003 auf einen sehr interessanten Effekt hingewiesen. Wie auch die Turbomolekularpumpe
die freie Wegstrecke zwischen den Molekülen ausnützt, um die
normalerweise völlig chaotisch fliegenden Moleküle in eine
gerichtete Strömung
umzuleiten, so kann dieser Effekt auch umgekehrt werden.
Durch Strukturierung der Oberfläche eines Rotors mit Abmessungen
unterhalb der freien Wegstrecke, entsteht aus der ungerichteten
Wärmebewegung der Moleküle eine gerichtete Kraft auf den Rotor. Die Struktur
muss so angelegt sein, dass sich ein Molekül innerhalb ihrer
Ausdehnung frei bewegen kann, ohne dabei auf ein anderes zu stoßen und
dabei die Wände des Rotors mindestens 2 mal trifft, was z.B. in einem
kegelförmigen Loch der Fall ist. Wenn man voraus setzt, dass ein einzelner Stoßvorgang zum Teil elastisch
verläuft, also die Impulsübertragung nicht zu 100% erfolgt, dann wird beim
ersten Stoß nicht der volle Impuls übertragen und von dem verbleibenden
Rest kann beim zweiten Stoß noch ein zusätzlicher Impuls übertragen werden, der
den eigentlichen Gewinn ausmacht, da auf der unstrukturierten Fläche eben
dieser zweite Stoß nicht stattfinden kann.
Dadurch wird im Vergleich zu
einer ebenen Fläche ein zusätzlicher Impuls übertragen,
was sich dann als erhöhter Luftdruck auf die strukturierte
Fläche im Vergleich zu einer eben Fläche äußert. Das Funktionsprinzip wäre ähnlich wie beim Radiometer,
nur das hierbei keine zusätzliche Wärmeenergie eingestrahlt
werden muss. Ein solches Gerät kann Energie aus der
Umgebungswärme gewinnen, ähnlich wie eine sich selbst antreibende Wärmepumpe.
Stellt man ein Glas heißes Wasser in die Vakuumglocke, so beginnt
es nach Einschalten der Pumpe recht bald wieder zu sieden. Das Sieden kann
bei einer guten Vakuumpumpe recht lang anhalten, auch wenn das Wasser schon
wieder stark abgekühlt ist. Dieser Effekt ist die Umkehrung eines
Kochtopfes. Dort wird ein Überdruck dazu verwendet, dass Wasser bei
höheren Temperaturen sieden zu lassen. Bei Unterdruck ist es dann
genau umgekehrt.
In diesem Video ist der Beginn des Siedens im Zeitraffer (12fache Geschwindigkeit),
zu sehen. Es wird ein Glas Wasser bei Raumtemperatur dem Vakuum ausgesetzt.
Bei etwas 20mBar beginnt es zu sieden. Das setzt eine gute Pumpe voraus,
die dieses Vakuum erreicht und den entstehenden Wasserdampf auch abführen
kann.
Die Dampfdruckkurve des Wassers beschreibt den Zusammenhang von Siedetemperatur
und Druck. Eine Flüssigkeit siedet dann, wenn sich nicht nur an der
Oberfläche Gas bildet, sondern auch im Inneren in Form von Gasblasen.
Wasser hat z.B. einen Dampfdruck von 1,013bar bei 100°C. Bei niedrigerem
Druck siedet es früher, bei höherem später. Die Kurve
beschreibt diesen Zusammenhang von 0°C bis 300°C.
Anhand dieser Kurve kann man auch leicht das Vakuum schätzen,
dass von der Pumpe erzeugt wird. Stellt man ein Glas heißes Wasser
in die Vakuumglocke, so beginnt es mit fallendem Druck wieder zu sieden.
Wenn es dann gerade aufhört zu sieden, hat das Wasser eine Temperatur,
bei der der Dampfdruck annähernd dem Vakuum entspricht.
Bei meiner Membranpumpe konnte ich eine Temperatur von 55°C nach
dem Sieden messen. Wenn man zwischen 50°C und 60°C linear interpoliert,
erhält man so einen Druck von ca. 160mbar. Eine später durchgeführte
Messung mit einem Vakuummeter zeigte, dass es ganz gut stimmt. Es wurden
direkt an der Pumpe 140mbar gemessen. Wenn man bedenkt, dass die Pumpe
unter dem ständig entstehenden Wasserdampf nie das gemessene Endvakuum
erreichen kann stimmt es relativ gut mit der Abschätzung überein.
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Auch der klassische Vakuum Versuch mit dem Luftballon kann sehr beeindruckend
sein. Man glaubt gar nicht wie groß er wird. Dazu legt man einen
nicht ganz leeren, verknoteten Luftballon in die Vakuumglocke. Nach Einschalten
der Pumpe wird er zusehends größer und füllt bei Erreichen
eines hohen Vakuums fast die ganze Glocke aus. Dabei ist zu beobachten,
dass die Ausdehnung nicht etwa linear verläuft, wie man vermuten könnte,
sondern kurz vor Erreichen des Endvakuums immer schneller wird. Man kann
sich das so vorstellen, dass die im Ballon verbliebene Luft sich im hohen
Vakuum ja gleichmäßig auf das gesamte Volumen verteilen würde.
Nur die Ballonhaut verhindert eine komplette Ausfüllung.
Auf ganz ähnliche Weise wächst auch eine Schwedenbombe an. Der Schaum enthält ebenfalls große Mengen an Luft, die im Vakuum expandieren. Der Vorteil dieses Versuches ist es, dass man das Versuchsobjekt nachher aufessen kann.
Das Video zeigt, wie die Schwedenbombe im Vakuum wächst. Das Video
ist in der Zeit beschleunigt (12fache Geschwindigkeit), um die Größe
herabzusetzen. Am Ende ist zu sehen, wie der Schaum wieder ein wenig zusammensinkt,
obwohl das Vakuum weiterhin bestehen bleibt. Aus der jetzt viel größeren
Oberfläche tritt immer ein gewisser Anteil der Luft aus, wenn das
Vakuum seinen Endwert erreicht, so tritt mehr aus, als durch die Vergrößerung
des Volumens gewonnen wird und der Schaum wird wieder etwas kleiner. Das
ist auch der Grund, warum nach dem Einlassen der Luft, der Schaum viel
weniger ist als zu Beginn.
Ganz ähnlich verhält sich dieses Schaumgebäck. Es wird mit
steigendem Vakuum zusehends größer, behält aber weitgehend
seine Form bei. Das Video ist ebenfalls in der Zeit beschleunigt (12fache
Geschwindigkeit).
Siedeverzug
Ein weiterer Effekt kann hierbei noch auftreten. Wenn das Vakuum langsam
gesteigert, und auch sonst keine Bewegungen im Wasser herrschen, kann es
zu einem so genannten Siedeverzug kommen. Es ist nämlich möglich,
den Druck weit unterhalb des Dampfdruckes abzusenken, ohne das Wasser dadurch
gleich zum Sieden zu bringen. Wenn dann eine kleine Störung im Wasser
auftritt, bilden sich schnell Dampfblasen, die durch ihre Ausdehnung weitere
Unruhen im Wasser auslösen und so wieder neue Blasen bilden. Auf diese
Weise kann eine große Menge Wasser schlagartig verdampfen, weil im
überheißen Wasser sehr viel Energie gespeichert ist, die auch
schlagartig zur Umsetzung bereit steht.
Durch diese "Explosion" wird mitunter sehr viel Wasser aus dem
Gefäß herausgeschleudert. Man sollte darauf achten, dass die
Pumpe dann nicht zuviel Wasser einsaugt !
Der Effekt des Siedeverzuges ist beim normalen Erhitzen von Wasser
nur extrem schwer hervorzurufen und in einem offenen Gefäß auch
nicht zu empfehlen. Es treten eigentlich immer Konvektionsbewegungen durch
die Wärmezufuhr auf. Bewegungen im Wasser erzeugen geringe Druckunterschiede,
wodurch es in der Verdünnungsphase leichter möglich ist Dampfblasen
zu bilden.
Stellt man ein Glas mit Mineralwasser in die Vakuumglocke, so steigen
nach dem Einschalten der Pumpe sofort Gasblasen auf. Mit zunehmendem Vakuum
wird das Perlen immer stärker, bis es schließlich aufhört.
Das kann nicht mit dem Sieden aus dem vorherigen Versuch verglichen werden.
Hier entstehen die Perlen bei einem relativ schwachen Vakuum und nicht
irgendwo in der Flüssigkeit sonder eher am Rand und am Boden des Gefäßes.
Der Grund für dieses Verhalten liegt darin, dass die Kohlensäure
im Wasser gelöstes Kohlendioxid ist.
Dieses Gas wird unter Druck ins Wasser eingebracht, und bleibt dann bei
Normaldruck einige Zeit gelöst. Im Vakuum geht das Herauslösen
viel schneller. Ähnliches ist auch mit Ultraschall
zu erreichen.
Wenn man eine gute Pumpe besitzt, die ca. 1 mbar erreicht, dann ist es
sogar möglich, kleine Wassertropen zum Gefrieren zu bringen. Kleine
Wassermengen sind hierbei wichtig, um die Pumpe nicht mit großem
Dampfdruck zu überfordern. Weiters haben die Tropfen eine relativ
große Oberfläche, was die Verdunstung beschleunigt. Denn das
Wasser kann nur durch die eigene Verdunstungskälte gefrieren.
Das dazugehörige Video zeigt wieder im Zeitraffer, wie die Tropfen
gefrieren.
Interessant ist, dass ein gefrorener Tropfen solange fest bleibt, bis
man das Vakuum entfernt. Man würde vielleicht annehmen, dass er wieder
auftaut, weil nichts mehr verdampfen kann. Doch dem ist nicht so. Es verdunstet
oder besser gesagt sublimiert (So nennt man den Übergang vom
festen in den gasförmigen Zustand) weiterhin Wasserdampf aus dem Eis
und hält es dadurch kühl. Es ist seltsam zu sehen, wie ein Eisstück
mit der Zeit immer kleiner wird, ohne zu schmelzen. Das ist eine Eigenschaft,
die erst unterhalb des so genannten Trippelpunktes auftritt. Dieser liegt
für Wasser bei einem Druck von 6,1 mbar und einer Temperatur von 0,0075°C.
Bei diesen Verhältnissen kann Wasser in allen drei Aggregatzuständen
gleichzeitig auftreten.
Bei Kohlendioxid z.B. tritt dieser Effekt auch schon bei Normaldruck
auf. Das aus Kohlendioxid hergestellte Trockeneis
ist also wirklich trocken, weil es direkt in den gasförmigen Zustand
übergeht, und sich so kühl hält ohne flüssig zu werden.
Ein etwas merkwürdiger Effekt tritt auf, wenn man wieder Luft in die Vakuumglocke strömen lässt. Diese erwärmt sich doch beträchtlich, obgleich man annehmen würde, dass genau das Gegenteil der Fall sei. Bei der Herstellung von flüssiger Luft wird ja auch komprimierte Luft entspannt, wodurch sie sich abkühlt. Hier tritt zwar auch Luft mit hohem Druck in einen Raum mit geringerem Druck ein, doch der erreichte Enddruck ist gleich dem Anfangsdruck der einströmenden Luft. Eine Entspannung könnte nur dann auftreten, wenn das Gas mit hohem Druck, nachher einen geringeren Druck hat. Das ist hier nicht der Fall. Außerdem würde bei Entspannung der Luft von 1 bar nur eine Abkühlung um 1/4°C auftreten. Die Erwärmung ist hier aber viel größer und liegt bei einigen °C. Außerdem entsteht durch Reibung an Kanten und Übergängen im Schlauch Wärme. Lässt man die Luft langsamer einströmen, so ist die Erwärmung nicht mehr so stark.
Die gefrorenen Wassertropfen zeigen sehr schön, wie das Vakuum
unsere physikalischen Gesetze beeinflusst. Wer hätte schon gedacht,
dass Wasser bei Raumtemperatur sieden kann, und dann auch noch gefriert,
wo doch jedes Kind lernt, dass Wasser bei 100°C siedet. Doch leider
vergessen wir dabei meist die Druckangabe.
So ist es mit allen unseren Naturgesetzen. Unter veränderten Bedingungen
erkennen wir sich nicht wieder. Wenn die Gesetze dann auch noch ohne Kenntnis
der Rahmenbedingungen aufgestellt werden, verlieren sie unter einem anderen
Blickwinkel ihre Gültigkeit.
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