Das Wasser ist wohl das bekannteste Beispiel für verschiedene Aggregatzustände und deren Phasenübergänge. Fast jeder kennt es als Eis, Wasser und Dampf. Diese Übergänge können aufgrund der Eigenschaften des Wassers in Temperatur- und Druckbereichen beobachtet werden, die auch im Alltag regelmäßig vorkommen.
Das Teilchenmodell: Eine einfache Erklärung der Aggregatzustände
Um die Aggregatzustände besser erklären zu können, bedient man sich des Teilchenmodells. Hierbei wird die kleinste Einheit eines Stoffes als kugelförmiges “Teilchen” dargestellt, das in Beziehung und Bewegung zu den anderen Teilchen steht. Je höher die Temperatur eines Stoffes, desto schneller bewegen sich seine Teilchen.
Die Energie eines Stoffes beeinflusst maßgeblich seinen Aggregatzustand. In einem Festkörper sind die Teilchen nur wenig in Bewegung und in einer festen Position. In einer Flüssigkeit bewegen sich die Teilchen frei, aber verschieben sich konstant. Im Gaszustand haben die Teilchen die höchste Geschwindigkeit und kollidieren regelmäßig miteinander und mit den Wänden des Raums.
Die drei Aggregatzustände: Fest, flüssig und gasförmig
Reinstoffe werden üblicherweise bei Raumtemperatur und Normaldruck als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas definiert. Diese Zustände können sich ändern, wenn dem Stoff genügend Energie in Form von Wärme und Druck zugeführt oder entnommen wird.
Feste Stoffe behalten ihre Form und ihr Volumen. Sie können jedoch temporär oder dauerhaft verformt werden. Das Volumen eines Festkörpers kann sich durch Wärmeausdehnung oder Abkühlung verändern, außer beim Wasser, das beim Erwärmen schmilzt.
Flüssige Stoffe behalten ihr Volumen, passen sich jedoch der Form des Raumes an. Sie lassen sich nur schwer komprimieren und ihr Volumen verringert sich normalerweise mit sinkender Temperatur.
Gase hingegen füllen den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus und können stark komprimiert werden. Unter hohem Druck werden die Teilchen eines Gases flüssig.
Phasenübergänge durch Wärme und Druck
Die Phasenübergänge der Aggregatzustände hängen von der zugeführten oder freigesetzten Wärme und dem Umgebungsdruck ab. Es gibt Phasendiagramme, die anhand von Druck und Temperatur die Übergangsbedingungen für die Aggregatzustände anzeigen.
Es gibt Phasenübergänge, bei denen Wärme abgegeben wird, wie das Erstarren (Gefrieren) und Kondensieren. Bei anderen Phasenübergängen wird Wärme zugeführt, wie das Schmelzen und Verdampfen. Einige Stoffe können auch direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen oder umgekehrt.
Viele Phasenübergänge finden unter Bedingungen statt, die in unserem täglichen Leben nicht beobachtet werden können. Einige Stoffe haben spezielle Eigenschaften, wie zum Beispiel Brom und Quecksilber, die unter Normalbedingungen flüssig sind.
Phasendiagramme werden in der Thermodynamik verwendet, um die Zustandsräume der Stoffe darzustellen. Sie zeigen die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen anhand von Druck und Temperatur. Bei steigendem Druck und höherer Temperatur ähneln sich die Dichte des Gases und der Flüssigkeit immer mehr, bis sie am kritischen Punkt nicht mehr voneinander unterschieden werden können.
Die Kenntnis der Aggregatzustände und ihrer Phasenübergänge ist nicht nur interessant, sondern auch in vielen Bereichen der Technik und des Bauwesens wichtig. In der chemischen Industrie werden Gase dank ihrer Komprimierung und Verflüssigung effektiv gelagert und genutzt.
Die Aggregatzustände und ihre Phasenübergänge sind faszinierende Eigenschaften der Stoffe, die uns in unserem täglichen Leben begleiten.
