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TUM School of Natural Sciences
Vorlesungsbetrieb Experimentalphysik

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Modell eines Geysirs

 

Kurzbeschreibung

Geysire sind Naturphänomene, die entstehen können, wenn heißes Wasser nahe der Erdoberfläche existiert, das unter gewissen Bedingungen in Fontänen ausgestoßen wird. Die physikalische Ursache für den Ausbruch eines Geysirs ist die Abhängigkeit der Siedetemperatur des Wassers vom Umgebungsdruck.

Der Aufbau dieses Versuchs besteht aus einem Erlenmeyer Kolben als Wasserreservoir. An die Öffnung des Kolbens wurde ein etwa 2 Meter langes Glasrohr mit einer lichten Weite von 20 mm aufgeschmolzen. Am oberen Ende des Glasrohres befindet sich eine Auffangschale (Satellitenschüssel 60 cm Durchmesser) welche einen See simulieren soll.
Erhitzt man das Wasserreservoir, so bilden sich nach einiger Zeit Blasen, die im Rohr nach oben weichen. Diese Blasen werden immer größer und es entstehen kleine Fontänen. Diese explodieren dann zu einer großen Fontäne. Mit Hilfe des Auffangtrichters füllt sich das Wasserreservoir und das Rohr wieder, sodass sich das ganze Schauspiel erneut abspielt.

Betriebsanleitungen: Geysir, Propan, Feuer

Grafik 4023

Wie in oben kurz erwähnt ist die Ursache für die Explosion die Abhängigkeit der Siedetemperatur des Wassers vom Druck. Dieses Verhalten beschreibt die Gleichung von Claudius Clapeyron (ΔH: spezifische Verdampfungswärme, ρd: Dichte des Dampfes, ρf :Dichte der Flüssigkeit, T: Temperatur, P: Druck): Grafik 4023a Somit ergibt sich eine für Wasser spezifische Sättigungsdampfdruckkurve, die wie folgt aussieht:
Dampfdruckkurve für Wasser
Die wichtigste Aussage dabei ist, dass bei höherem Druck die Siedetemperatur des Wassers höher ist als bei niedrigem Druck. Sei der Druck zum Beispiel 1 bar (Atmosphärendruck), so siedet Wasser bei 100°C. Bei einem Druck von 2 bar allerdings, siedet es erst bei 120°C. Bei einem Geysir setzt sich der Druck im Wasserreservoir aus dem Atmosphärendruck P0 und dem Schweredruck des Wassers, das sich im Rohr befindet zusammen. Es herrscht also je nach Höhe h des Wassers im Rohr ein größerer Druck im Wasserreservoir als in der Atmosphäre an der Oberfläche des Auffangtrichters: P(h)=P0+ρgh
Somit ist auch die Siedetemperatur im Wasserreservoir größer. Das Wasser erwärmt sich also auf über 100°C, ehe es zum Sieden beginnt. Erst dann bilden sich erste Dampfblasen, die an die Oberfläche dringen. Dadurch sinkt die Höhe h der Wassersäule ein wenig und somit auch der Druck im Wasserreservoir. Wegen des niedrigeren Drucks sinkt aber auch die Siedetemperatur des Wassers und das Wasser beginnt heftiger zu sieden. Dadurch wird immer mehr Wasser am oberen Ende des Rohres ausgestoßen, so dass der Druck im Wasserreservoir weiterhin abnimmt. Der ganze Prozess schaukelt sich explosionsartig auf, bis der Geysir schließlich ausbricht.

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