Ein Gemisch von chemischen Stoffen wird als zeotrop bezeichnet, wenn die Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht immer unterschiedlich ist. Damit berühren sich Taukurve und Siedekurve in keinem Punkt. Gemische, deren Tau- und Siedekurven sich in mindestens einem Punkt berühren und somit die Zusammensetzung in Dampf und Flüssigkeit gleich ist, heißen azeotrope Gemische.
Dampfdruck und Siedetemperatur eines zeotropen Gemischs zeichnen sich dadurch aus, dass sie stets zwischen den Reinstoffdampfdrücken und -siedetemperaturen liegen, während bei azeotropen Gemischen ein Druckmaximum/Temperaturminimum oder Druckminimum/Temperaturmaximum auftritt, das außerhalb des durch die Reinstoffwerte begrenzten Bereichs liegt.
Zeotrope Gemische lassen sich durch Destillation bzw. Rektifikation, also wiederholte Verdampfung und Kondensation, in Trennkolonnen trennen. Ihre Trennfaktoren werden niemals 1, können jedoch so gering sein, dass eine Trennung durch Rektifikation technisch unmöglich wird.
Technisch von größerer Bedeutung sind Zeotropie und Azeotropie auch bei Kältemittelgemischen, bei denen schon bei der Namensgebung mit Kurzzeichen zwischen zeotropen (R4xx) und azeotropen Gemischen (R5xx) unterschieden wird. Zeotrope Gemische haben den Nachteil, dass ihre Zusammensetzung sich beim Verdampfen und Kondensieren ändert. Damit ändern sich auch Siedepunkte sowie andere Eigenschaften, insbesondere auch die in der Kühltechnik wichtigen kalorischen Größen wie Verdampfungsenthalpie und Wärmekapazität. Azeotrope Gemische hingegen verhalten sich bei der azeotropen Zusammensetzung wie reine Stoffe mit konstanten Eigenschaften. Bei zeotropen Gemischen muss daher darauf geachtet werden, dass die Differenzen gering bleiben und somit werden zeotrope Gemische mit kleinen Trennfaktoren bevorzugt.
In der Geothermie spielen zeotrope Gemische als Arbeitsmittel in Kraftwerken eine Rolle, aber auch bei Wärmepumpen, insbesondere bei Hochtemperatur-Wärmepumpen.
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