Physik in unserem Leben/ Aggregatzustandsänderungen

Wie schon erwähnt, ist der Zustand eines Stoffes von der Temperatur und dem Druck abhängig.

Richtung fest zu gasförmig

Schmelzen

Wenn ein fester Körper flüssig wird, wird das schmelzen genannt.

Schmelztemperatur wird die Temperatur genannt, bei der ein fester Stoff schmilzt. Die Schmelztemperatur ist kaum vom Druck abhängig. Die Schmelztemperatur hängt vom Stoff ab – oder davon, aus welchen Stoffen sich der Festkörper zusammensetzt. Für genauere Betrachtung wird zur Temperatur jeweils der Druck angegeben, bei dem der Temperaturwert genau zutrifft. Diese Kombination wird dann Schmelzpunkt genannt. 'Punkt' ist in diesem Sinne also nicht wörtlich zu nehmen, es handelt sich um eine Kurve, wie im Beispiel weiter unten zu sehen ist.

Verdampfung

(auch Sieden genannt)

Wird eine Flüssigkeit zu einem Gas, so wird dies Verdampfung genannt. Entsprechend zum Schmelzpunkt wird die Übergangstemperatur Siedepunkt, Verdampfungspunkt oder auch Kochpunkt genannt. Die Abhängigkeit vom Druck ist beim Verdampfen stärker als beim Schmelzen. 'Punkt' ist in diesem Sinne also nicht wörtlich zu nehmen, es handelt sich um eine Kurve, wie im Beispiel weiter unten zu sehen ist.

Ab dem sogenannten Kritischen Punkt (also bei einer bestimmtem Temperatur und einem bestimmten Druck) gibt es keinen Unterschied mehr zwischen gasförmig und flüssig – bei höheren Temperaturen oder Drücken sind die Aggregatzustände also nicht unterscheidbar und es tritt keine Zustandsänderung mehr ein.

Sublimation

Wird ein Festkörper sofort zu Gas, ohne zwischendurch erst flüssig zu werden, so wird dies Sublimation genannt. Dies Verhalten hängt stark von der Temperatur und vom Druck ab und tritt besonders bei niedrigen Drücken auf. Diese Aggregatszustandsänderung findet dann entsprechend am Sublimationspunkt statt. 'Punkt' ist in diesem Sinne also nicht wörtlich zu nehmen, es handelt sich um eine Kurve, wie im Beispiel weiter unten zu sehen ist.

Richtung gasförmig zu fest

Kondensation

Wird ein Gas zu einer Flüssigkeit, so wird dies Kondensation genannt. Ähnlich wie beim Schmelzen ist der Siedepunkt nur bei reinen chemischen Elementen gleich dem Kondensationspunkt.

Erstarren

(auch Gefrieren genannt)

Wird bei einer Flüssigkeit die Temperatur verkleinert, so gefriert diese bei einer bestimmten Temperatur zu einem Festkörper. Bei reinen chemischen Elementen ist dieser Gefrierpunkt der gleiche wie der Schmelzpunkt. Bei Stoffen, die aus chemischen Verbindungen bestehen, muss dies nicht der Fall sein.

Ist der Stoff verunreinigt oder handelt es sich um ein Gemisch, so liegt der Schmelzpunkt meist bei niedrigerer Temperatur und kann sich zudem während des Schmelzens verändern – auch weil die unterschiedlichen Stoffe in dem Gemisch unterschiedlich schnell flüssig werden und sich daher die Zusammensetzung des Festkörpers und der Flüssigkeit während des Schmelzens ändern kann.

Resublimation

Wird bei niedrigem Druck die Temperatur in einem Gas verringert, so kann daraus direkt ein Festkörper entstehen, dies wird Resublimation genannt. Entsprechend dem Sublimationspunkt gibt es hier den Resublimationspunkt, welcher für reine Stoffe mit dem Sublimationspunkt übereinstimmt.

Phasendiagramm

Wie gesagt ist der Aggregatzustand von der Temperatur und vom Druck abhängig. Das sieht man in einem sogenannten Phasendiagramm. Man stellt sich das am besten so vor, dass der betrachtete Stoff (und nichts anderes) in einem geschlossenen Gefäß aufgewahrt wird, bei dem die Temperatur (und gegebenenfalls der Druck beziehungsweise das Volumen) einstellbar ist. Ferner wird von Gleichgewichtsbedingungen ausgegangen, man geht also davon aus, dass auf alle Bestandteile der gleiche Druck wirkt und überall die gleiche Temperatur vorhanden ist. Wird von einer Änderung gesprochen, so ist diese so langsam gemeint, dass sie überall gleich auftritt. Gäbe es unterschiedliche Temperaturen, so würde am kältesten Punkt mehr Material gefrieren, kondensieren oder resublimieren und am wärmsten Punkt mehr Material schmelzen, verdampfen oder sublimieren, bis ein Gleichgewicht eintritt.

In solch einem Diagramm ist in einem Koordinatensystem auf der einen Achse der Druck aufgetragen, auf der anderen die Temperatur. Der Übergang von fest zu gasförmig oder von flüssig zu gasförmig oder von fest zu flüssig sind darin Kurven. Die Kurve zwischen gasförmig und flüssig endet dabei am Kritischen Punkt.

Ein weiterer interessanter Punkt wird der Tripelpunkt genannt. Das ist die Temperatur und der Druck, bei dem alle drei Aggregatzustände gleichzeitig vorliegen. Es gibt also ein Gleichgewicht zwischen den drei Zuständen. Dies ist auch für praktische Anwendungen sehr interessant.

Hat man etwa in einem Behälter gleichzeitig Eis, Wasser und Wasserdampf, so bleibt die Temperatur darin konstant, solange noch von jedem der drei Aggregatzustände etwas vorhanden ist. Das ist also eine einfache Methode, diese bestimmte Temperatur über längere Zeit unverändert verfügbar zu machen. Der Tripelpunkt des Wassers liegt bei 273,16 K (oder 0,01 °C).

Ein (vereinfachtes) Beispiel für Wasser siehst du hier:

Wie bei den einzelnen Begriffserklärungen oben bereits erwähnt, treten bei Stoffgemischen kompliziertere Diagramme auf. Auch bei Wasser gibt es weitere Effekte, die das Verhalten im Detail komplizierter machen können, als hier dargestellt ist.

Die verschiedenen Aggregatzustände sind mit unterschiedlichen Grautönen dargestellt. Der Tripelpunkt und der Kritische Punkt sind ebenfalls eingetragen, diese bleiben auch in solch einer genaueren Darstellung Punkte. Schmelzen, Verdampfen und Sublimation und die umgekehrten Prozesse sind hier als Kurven zwischen den unterschiedlichen Aggregatzuständen dargestellt, also links unten Sublimation, nach links oben Schmelzen und zwischen Tripelpunkt und Kritischem Punkt das Verdampfen.

Zu beachten ist bei dem Beispiel auch, dass Beimischungen anderer Stoffe auch das Phasendiagramm von Wasser verändern. So geht dieses Phasendiagramm etwa davon aus, dass keine Luft vorhanden ist. Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon, welche als reine Stoffe ganz andere Phasendiagramme aufweisen als Wasser. Aus dem Alltag ist auch bekannt, dass zum Beispiel die Beimischung von Salz das Phasendiagramm verändert, weswegen es im Winter beliebt war oder ist, Salz auf vereiste Straßen aufzubringen, um dieses zu schmelzen.

Andere Änderungen

Folgende Änderungen sollte man nicht mit den erwähnten Änderungen verwechseln.

Verdunsten

Probiere mal Folgendes: Lasse ein Ventilator auf dem Tisch laufen und lasse im Luftzug einen Tropfen Wasser fallen. Bald wird das Wasser nicht mehr da sein. Für das Phänomen ist es vor allem notwendig, dass die Luft nicht so feucht ist (der Ventilator beschleunigt einfach das Phänomen). Was passiert, ist eher kompliziert. Grob gesagt, sind die Geschwindigkeiten der Moleküle in der Flüssigkeit nicht alle gleich. Die schnelleren Moleküle können die Flüssigkeit „verlassen“, wenn die Luft nicht „gesättigt“ mit Wassermolekülen ist. Praktische Anwendung: Wenn die Luft eher trocken ist, kann man die Wäsche schneller trocknen lassen, wenn man sie in einem Luftzug (zum Beispiel vor einem Ventilator) trocknen lässt.

Im Gegensatz zum Begriff des Verdampfens hat man es hier also mit einem Stoffgemisch in einer offenen Umgebung zu tun, gasförmiges Wasser wird also von der Flüssigkeit wegtransportiert, weswegen sich kein Gleichgewicht einstellen kann, es also gar nicht zu den Bedingungen kommt, bei denen das Phasendiagramm gilt. Auf molekularer Ebene ist der Effekt übrigens der gleiche, einzelne Moleküle verlassen die Flüssigkeit sowohl beim Verdunsten als auch beim Verdampfen. Da allerdings der Dampf durch den Ventilator abtransportiert wird, tritt der umgekehrte Prozess der Kondensation praktisch nicht auf.

Einen ähnlichen Effekt kann man übrigens auch an kleineren Eismengen an kalten und trockenen Wintertagen beobachten. Obwohl das Eis nicht schmilzt, wird es über mehrere Tage beoachtet immer weniger. Moleküle aus dem Eis gehen hier direkt in die Gasphase über, werden aber vom Wind wegtransportiert, es gibt also kein Gleichgewicht zwischen dem Eis und dem Wasserdampf.

Brennen

Obwohl auch hier es so aussieht, als ob ein Stoff von fest zu gasförmig wechselt, stimmt das überhaupt nicht. Für das Brennen braucht man auch Sauerstoff und der Stoff bleibt nicht mehr der gleiche. Das nennt man eine chemische Reaktion. Um dies besser zu verstehen, ist es also nützlich, sich mit Chemie zu beschäftigen. Wenn man das Gas, das entsteht, wieder resublimiert, bekommt man nicht mehr den gleichen Stoff. Wenn man Holz brennt und dann den Rauch resublimiert, bekommt man nicht wieder Holz.