Siedebedingung, Druckabhängigkeit und Autoklav
Wann eine Flüssigkeit siedet, warum die Siedetemperatur von Wasser vom Umgebungsdruck abhängt und wie ein Autoklav das für Temperaturen über 100 °C nutzt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Siedebedingung besagt: Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Sättigungsdampfdruck gleich dem äußeren Druck ist.
- Die Siedetemperatur von Wasser steigt mit dem Außendruck, aber nicht linear. 100 °C gelten nur bei 1013 hPa.
- Auf der Zugspitze siedet Wasser bei etwa 90 °C. Im Vakuum siedet es sogar bei Raumtemperatur, da sein Dampfdruck dort etwa 23 hPa beträgt.
- Wasser und Salzlösung, die nebeneinander sieden, haben den gleichen Dampfdruck. Die Salzlösung ist dabei heißer.
- Im Autoklaven und im Schnellkochtopf erhöht eingeschlossener Dampf den Druck, sodass Wasser über 100 °C siedet, etwa bei 121 °C unter rund 2 bar.
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Worum es geht
Wasser siedet nicht immer bei 100 °C. Ob es siedet, entscheidet ein Druckvergleich zwischen Flüssigkeit und Umgebung. In der Pharmazie stecken dahinter das schonende Eindampfen im Vakuum und die Dampfsterilisation im Autoklaven.
Siedebedingung
Eine Flüssigkeit verdampft bei jeder Temperatur an ihrer Oberfläche. Sieden heißt dagegen: Im Inneren bilden sich Dampfblasen, die wachsen und aufsteigen. Eine Blase hält aber nur, wenn der Dampf in ihr so stark nach außen drückt wie die Umgebung nach innen. Ist der Dampfdruck kleiner, drückt der Außendruck die Blase sofort zusammen.
Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Sättigungsdampfdruck gleich dem äußeren Druck ist: \(p_\mathrm{D}(T) = p_\mathrm{a}\). Die Siedetemperatur ist die Temperatur, bei der diese Gleichheit erreicht wird.
Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab
Die Siedetemperatur ist also kein fester Stoffwert. Man liest sie an der Dampfdruckkurve ab: Wo die Kurve den Außendruck erreicht, siedet das Wasser. Die bekannten 100 °C gelten nur bei 1013 hPa. Steigt der Außendruck, muss das Wasser heißer werden, bis sein Dampfdruck mithält. Sinkt er, genügt eine niedrigere Temperatur.
Die Kurve steigt nicht linear, sondern immer steiler an. Gleiche Temperaturschritte bringen bei hohen Temperaturen viel mehr Druck als bei niedrigen.
| Außendruck | Siedetemperatur von Wasser | Beispiel |
|---|---|---|
| 23 hPa | 20 °C | Vakuum |
| 701 hPa | 90 °C | Zugspitze |
| 1013 hPa | 100 °C | Normdruck |
| ca. 2050 hPa | 121 °C | Autoklav |
| ca. 3040 hPa | 134 °C | Autoklav |
Auf der Zugspitze in rund 3 km Höhe beträgt der Luftdruck nur etwa 700 hPa. Wasser siedet dort schon bei etwa 90 °C. Bei Raumtemperatur liegt der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei etwa 23 hPa, also deutlich über 10 hPa. Senkt eine Pumpe den Druck über Wasser von 20 °C unter diesen Wert, siedet es bei Raumtemperatur. Das nutzt man beim Eindampfen im Vakuum, um wärmeempfindliche Stoffe zu schonen.
Dieselbe Bedingung gilt für Lösungen. Gelöstes Salz senkt den Dampfdruck, wie bei der Dampfdruckerniedrigung erklärt. Eine Salzlösung siedet daher erst bei höherer Temperatur als reines Wasser. Sieden beide nebeneinander unter demselben Außendruck, haben sie den gleichen Dampfdruck, nämlich genau diesen Außendruck. Nur ihre Temperaturen unterscheiden sich.
Wird im Examen gerne gefragt: Wasser siedet nur bei 1013 hPa bei 100 °C. Entscheidend ist die Gleichheit von Dampfdruck und Außendruck, nicht ein fester Druckwert, und die Siedetemperatur steigt mit dem Druck nicht linear.
Autoklav
Ein Autoklav ist ein druckfestes, dicht verschlossenes Gefäß, in dem Wasser erhitzt wird. Der entstehende Dampf kann nicht entweichen. Er erhöht den Druck im Kessel. Mit dem Druck steigt nach der Siedebedingung auch die Siedetemperatur, und das Wasser wird heißer als 100 °C. Ein Manometer zeigt den Druck an, ein Ventil begrenzt ihn.
Der Autoklav nutzt also die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks. Umgekehrt gilt: Siedendes Wasser über 100 °C gibt es nur bei erhöhtem Druck. Bei etwa 2 bar erreicht es 121 °C, bei etwa 3 bar 134 °C. Diese Temperaturen nutzt die Dampfsterilisation. Die Verfahren selbst behandelt die Einheit zur Prüfung der Konservierung.
Der Schnellkochtopf in der Küche arbeitet nach demselben Prinzip. Das heißere Wasser gart Speisen schneller. Aus dem gleichen Grund laufen chemische Reaktionen im Autoklaven schneller ab als unter Normbedingungen, denn höhere Temperatur beschleunigt sie.
Quiz
Aussage 1
Im Autoklaven siedet Wasser oberhalb von 100 °C, weil der eingeschlossene Dampf den Druck im Gefäß erhöht.
Höherer Außendruck verlangt einen höheren Dampfdruck zum Sieden, also eine höhere Temperatur.
Aussage 2
Die Siedetemperatur von Wasser nimmt proportional zum Außendruck zu.
Sie steigt mit dem Druck, aber nicht linear, denn die Dampfdruckkurve verläuft immer steiler.
Aussage 3
Der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei Raumtemperatur ist kleiner als 10 hPa.
Er liegt bei etwa 23 hPa (20 °C), also oberhalb von 10 hPa.
Aussage 4
Senkt man den Druck über reinem Wasser von 20 °C weit genug ab, beginnt es zu sieden.
Fällt der Außendruck unter den Sättigungsdampfdruck von etwa 23 hPa, ist die Siedebedingung erfüllt.
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