Physik in unserem Leben/ Aggregatzustände

Einführung

Im gewöhnlichen Sinn bezeichnet man als Aggregatzustände die vier Zustände, in denen sich alle Stoffe bei verschiedener Temperatur oder Druck befinden können. Diese Zustände sind: fest, flüssig, gasförmig oder es handelt sich um ein Plasma. Also, Stoffe können als Festkörper, Flüssigkeit, Gas oder Plasma auftreten. Dies sind die Aggregatzustände der Stoffe. Ob jetzt ein Material gerade fest, flüssig, gasförmig oder ein Plasma ist, ist von der Temperatur und vom Druck abhängig. Es ist natürlich auch davon abhängig, aus welchen Atomen der Stoff oder das Material besteht. Zum Beispiel Wasser auf der Erdoberfläche ist unter etwa 0°C fest (Eis), von etwa 0°C bis etwa 100°C flüssig, ab etwa 100°C gasförmig (Wasserdampf). Bei 3000 m Höhe aber kann man feststellen, dass das Wasser schon bei etwa 90°C gasförmig ist (das kannst du mal selber feststellen, falls du mal auf einem Berggipfel bist). Ist im Wasser Salz vorhanden (was meistens der Fall ist), so ändert sich der Wert wiederum - zum Beispiel bleibt das salzhaltige Meerwasser bei niedrigeren Temperaturen flüssig als salzarmes Leitungswasser.

Fest, flüssig und gasförmig werden als klassische Aggregatzustände bezeichnet, insbesondere weil sie bereits seit langem untersucht werden. Plasma ist auch schon länger bekannt. Ferner gibt es einige weitere nicht klassische Aggregatzustände, die erst im letzten oder diesem Jahrhundert vorhergesagt oder hergestellt werden konnten. Diese werden hier nicht weiter betrachtet. Zur Herstellung oder Beobachtung wird bei diesem meist allerhand technisches Gerät benötigt und auch sehr detaillierte physikalische Kenntnisse.

Eigenschaften

Feste Körper

Bei einem festen Körper ist jedes Atom an eine feste Stelle „gebunden“. Es kann sich hin- und herbewegen (man nennt das Schwingung). Die Grenze seiner Bewegungen sind seine nebenliegenden Atome. Ein Atom also in einem festen Körper hat feste „Nachbar-Atome“ und es kann sich höchstens zwischen diesen hin-und herbewegen, Jedes Atome ist durch Kräfte mit seinen „Nachbar-Atomen“ verbunden. Es kennt nur seine Nachbar-Atome.

Die Form des Festkörpers ändert sich nicht. Das Volumen eines festen Körpers nimmt in der Regel mit wachsender Temperatur nur geringfügig zu. Weil die Atome bei höherer Temperatur stärker gegeneinander schwingen, brauchen sie etwas mehr Platz.

Festkörper kann man in kristallförmige und amorphe unterscheiden. Kristalle weisen eine gewisse regelmäßige Struktur auf, die über den Abstand vieler Atome wiederholt. Zum Beispiel ist die feste Stelle von jedem Atom an einem Eckpunkt eines Quadrats, einer Pyramide uund so weiter. Bei amorphen festen Körpern gilt so was nicht. Wir haben schon gesagt, dass man eine Kraft feststellen kann, indem man die Verformung eines Körpers betrachtet. Kristalle, wie zum Beispiel ein Zuckerkristalle oder Diamanten lassen sich nur schwer verformen. Ein Kristall wird in der Regel zerbrochen, falls eine große Kraft auf ihn ausgeübt wird. Amorphe feste Körper hingegen, wie zum Beispiel Plastilin, kann man leichter umformen. Man kann sie eher teilen statt zerbrechen. Ein amorpher Festkörper wie etwa Granit lässt sich hingegen auch nur schwer verformen.

Graphit (jedem bekannt aus dem Bleistift), das wie der Diamant aus Kohlenstoffatomen besteht, lässt sich leicht auf Papier abreiben. Während der Diamant eine räumlich sehr stabile kristalline Form hat, ist der Graphitkristall in einer Richtung sehr instabil. Anthrazit (Steinkohle) besteht auch wie Diamant oder Graphit aus Kohlestoff, ist aber amorph. Die Eigenschaften eines Festkörpers hängen also stark davon ab, welche Atome wie zueinander angeordnet sind.

Flüssigkeiten

Bei einer Flüssigkeit ist zwar jedes Atom oder Molekül mit seinen „Nachbar-Molekül“ „verbunden“, nicht aber so stark. Ein Molekül kann jetzt sogar durch die „Nachbar-Moleküle“ bewegen und so einen (und mehrere) neuen „Nachbarn“ „kennenlernen“. Die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen sind nicht so stark und jedes Molekül kann sich durch die anderen bewegen.

Das Volumen einer Flüssigkeit nimmt in der Regel mit wachsender Temperatur nur geringfügig zu.

Eine Flüssigkeit auf der Erdoberfläche hat keine feste Form, sie nimmt einfach die Form des Gefäßes an, in dem sie sich befindet und sogar nur bis zu einer gewisse Höhe, wenn ihr Volumen kleiner als das Volumen des Gefäßes ist, sonst läuft sie selbstverständlich über. Dadurch wird eine Oberfläche gebildet. Im Weltall, ohne Einwirkung von Kräften wie der Erdanziehung, hat eine Flüssigkeit die Form einer Kugel. Das wiederum wie auch die leichte Biegung der Oberfläche der Flüssigkeit an den Rändern eines Gefäßes liegt an Kräften zwischen den Molekülen in der Flüssigkeit einerseits, aber natürlich auch zwischen dem Gefäß und den Molekülen der Flüssigkeit. Man kann eigentlich in einer Flüssigkeit nicht mehr die Begriffe Umformen, Zerbrechen oder Teilen benutzen (man kann zwar ein bestimmtes Volumen einer Flüssigkeit in zwei oder mehr Teile aufteilen, man kann sie aber nicht teilen, wie man ein Stück Plastik teilen kann).

Gase

Bei einem Gas sind die Kräfte zwischen den Atomen oder Molekülen oft so schwach, dass man sie vernachlässigen kann. Die Atome oder Moleküle bewegen sich schnell und frei im Raum und verteilen sich gleichmäßig im gesamten verfügbaren Raum. In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases. Die Kräfte zwischen den Atomen oder Molekülen führen nur zu kleinen Änderungen im Verhalten.

Das Volumen eines Gases nimmt immer mit wachsender Temperatur zu (wenn der Druck gleichbleibt; wenn das Volumen gleichbleibt, dann nimmt der Druck zu). Anders als bei Festkörpern und Flüssigkeiten läßt sich bei Gasen das Volumen leicht ändern, weil die Kräfte zwischen den Atomen oder Molekülen so schwach sind. Ein vorhandenes Volumen wird vom Gas immer komplett ausgefüllt.

Plasma

Plasma ist der häufigste Aggregatzustand im Universum - man trifft Plasma vorrangig in Sonnen an, also bei hoher Temperatur und hohem Druck, wie es auf der Erde nur schwierig zu erreichen ist. Es gibt allerdings auch Plasmalampen, wo der Zustand bei niedrigem Druck mit elektromagnetischen Feldern erreicht werden kann. Auch bei Plasma-Monitoren, Glimmlampen, in Leuchtstoffröhren wird künstlich ein Plasma erzeugt. Auch bei Nordlichtern oder in Blitzen (Gewitter) gibt es Plasma, was auch mit elektromagnetischen Feldern zu tun hat.

Bei hohem Druck und hoher Temperatur oder bei geeigneten elektromagnetischen Feldern passiert im Plasma etwas besonderes mit den Atomen, welche sonst immer aus einem kleinen Kern bestehen und Elektronen drumherum. Während bei den anderen Aggregatzuständen die Elektronen einem Atomkern zugeordnet bleiben, ist dies im Plasma nicht mehr möglich. Während beim Gas sich also die Atome und Moleküle als Ganzes unabhängig voneinander bewegen, werden im Plasma Moleküle ganz zerstört und Atomkerne und Elektronen bewegen sich unabhängig voneinander im Plasma.

Fragen

Welches sind die drei klassischen Aggregatzustände?

Welcher ist der wichtigste Unterschied unter diesen Aggregatzuständen ?

Wovon sind die Aggregatzustände abhängig?