Aggregatzustand
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Einordnung: Physik | Thermodynamik
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Als Aggregatzustände bezeichnet man qualitativ verschiedene, temperatur- und druckabhängige physikalische Zustände von Stoffen.
Die Abhängigkeit des Aggregatszustandes von diesen Größen wird üblicherweise in einem so genannten Phasendiagramm dargestellt.
| Inhaltsverzeichnis |
Die Aggregatzustände
Es gibt drei klassische Aggregatzustände:
- fest - in diesem Zustand behält ein Stoff im Allgemeinen sowohl Form als auch Volumen bei.
- flüssig - hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig und passt sich dem umgebenden Raum an.
- gasförmig - hier entfällt auch die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus.
Einen Stoff im festen Aggregatzustand nennt man Festkörper, einen Stoff im flüssigen Aggregatzustand nennt man Flüssigkeit und einen Stoff im gasförmigen Aggregatzustand nennt man Gas.
Nach neueren Ăśberlegungen unterscheidet man:
- kristallin - ein spröder Stoff, der seine Form nicht verändert. Seine Bausteine weisen eine Fernordnung auf.
- amorph - ein Stoff, der, je nach Viskosität, fest oder flüssig erscheint. Er ist lediglich durch eine Nahordnung ausgezeichnet.
- gasförmig - analog zur klassischen Bezeichnung.
Phasendiagramme
Das Phasendiagramm beschreibt den Aggregatzustand in Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Anhand der Linien kann man erkennen, bei welchem Druck die Stoffe ihren Aggregatzustand verändern. Man kann sagen, auf den Linien findet der Übergang zwischen den Aggregatzuständen statt; hier sind die beiden Aggregatzuständen gleichzeitig vorhanden.
Aus einem Phasendiagramm kann man auĂźerdem folgendes erkennen:
- Bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur (dem so genannten Tripelpunkt) können alle drei Aggregatzustände gleichzeitig vorliegen (der Punkt in der Mitte bei dem sich die Linien treffen)
- Für Drücke unterhalb des Tripelpunkt-Druckes kann die Substanz nur fest (niedrige Temperatur) oder gasförmig (hohe Temperatur) sein. Die Trennlinie zwischen beiden Bereichen nennt man Sublimationskurve. Auf ihr können feste und gasförmige Phasen gleichzeitig existieren. Die Sublimationskurve endet am Tripelpunkt.
- Für Drücke oberhalb des Tripelpunkt-Druckes ist die Substanz für Temperaturen unterhalb des (druckabhängigen) Schmelzpunktes fest, zwischen Schmelz- und Siedepunkt (ebenfalls druckabhängig) flüssig und oberhalb des Siedepunktes gasförmig. Die Trennlinie zwischen fester und flüssiger Phase, also die Kurve der Schmelzpunkte, nennt man Schmelzkurve, die Trennlinie zwischen Flüssigkeit und Gas nennt man Siedepunktskurve. Beide Kurven enden ebenfalls am Tripelpunkt.
- Die Siedepunktskurve verläuft vom Tripelpunkt bis zum so genannten kritischen Punkt. Für Temperaturen oder Drücke jenseits des kritischen Punktes verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas. Die Steigung dieser Kurve ist durch die Clapeyron-Gleichung gegeben.
Ă„nderung des Aggregatzustands
Die Übergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen haben spezielle Namen:
- fest → flüssig Schmelzen (...bei der Schmelztemperatur)
- fest → gasförmig Sublimieren
- flüssig → fest Erstarren, bei Wasser auch Gefrieren (... bei der Schmelztemperatur, oder hier Erstarrungstemperatur)
- flüssig → gasförmig Verdampfen, Sieden, bei Wasser auch Kochen (...bei der Siedetemperatur)
- gasförmig → fest Resublimieren
- gasförmig → flüssig Kondensieren (...bei der Siedetemperatur)
Das Schmelzen und Erstarren findet nur bei einer spezifischen, druckabhängigen Temperatur statt, der Schmelz- beziehungsweise Erstarrungstemperatur.
Dagegen kommt die Sublimation und das Verdampfen auch unterhalb der Sublimations- beziehungsweise Siedetemperatur vor. Man spricht hier von der so genannten Verdunstung.
Beispiel für die Übergänge
Man kann alle Übergänge im Alltag beobachten, zum Beispiel am Wasser:
- Schmelzen ... holt man Eis aus dem Kühlschrank, so fängt es an flüssig zu werden, weil außerhalb des Gefrierfaches Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur herrschen.
- Sublimieren ... wenn man feuchte Wäsche bei Frost draußen aufhängt, gefriert zwar zuerst das Wasser, wenn man aber lange genug wartet, wird die Wäsche trotzdem trocken. Das feste Wasser (Eis) kann auch direkt in den gasförmigen Zustand übergehen.
- Erstarren ... wird Wasser abgekühlt, so bilden sich erst Eiskristalle, die dann immer größer werden, bis das Wasser zu einer kompakten Masse aus Eis geworden ist.
- Verdampfen ... wird Wasser über seine Siedetemperatur erhitzt, so wird das Wasser gasförmig. Das blubbernde Kochen kommt dadurch zustande, dass der gasförmige Wasserdampf unter der Wasseroberfläche entsteht.
- Resublimieren ... das Ergebnis einer Resublimation kann man im Winter zum Beispiel an den Autoscheiben sehen. Wasserdampf in der Luft setzt sich in Form von feinen Kristallen ab.
- Kondensieren ... Wasserdampf ist eigentlich, wie die meisten gasförmigen Stoffe, unsichtbar. Durch Abkühlen entstehen aus dem gasförmigen Wasserdampf kleine Wassertröpfchen, die man dann sehen kann.
Anwendung von Schmelz- und Siedetemperatur
| Stoff | Schmelztemperatur | Siedetemperatur | Aggregatzustand bei Raumtemperatur (25 °C)1 | Aggregatzustand im Gefrierschrank (-10 °C)1 |
|---|---|---|---|---|
| Eisen | 1535 °C | 2750 °C | fest | fest |
| Helium | -272 °C | -269 °C | gasförmig | gasförmig |
| Brom | -7 °C | 59 °C | flüssig | fest |
| Chlor | -101 °C | -35 °C | gasförmig | gasförmig |
1 bei Normaldruck
Nicht-klassische Aggregatzustände
Neben den drei klassischen Aggregatzuständen gibt es weitere, die nur unter extremen Bedinungen auftreten (nach Temperatur, von niedrigen zu hohen, sortiert):
- Das Bose-Einstein-Kondensat: Hierbei handelt es sich um eine Menge extrem kalter Atome, die den gleichen quantenmechanischen Zustand einnehmen und dadurch ununterscheidbar werden, quasi ein Atomhaufen, der sich wie ein riesiges Atom verhält.
- Superfluid: Ist in gewissem Sinne noch flüssiger als flüssig. Es gibt keinerlei innere Reibung mehr, das heißt interne Strömungen hören nicht mehr im Laufe der Zeit auf.
- Atomgas: In ihm existieren keine Moleküle mehr, da die ständigen Stöße die Bindungen zerstören, allerdings sind die Elektronen noch fest gebunden.
- Der Plasmazustand: Er tritt in Sonnen oder in Fusionsreaktoren auf. Bei sehr hohen Temperaturen werden die Atome in Atom-Kern und -HĂĽlle zerlegt, freie Elektronen entstehen.
- Das Vakuum wird manchmal als Aggregatzustand bezeichnet.
Zu beachten ist, dass Plasma und Vakuum keine eigentlichen Aggregatzustände sind. Grund dafür ist, dass es keine Phasenübergänge gibt, die diese Zustände abgrenzen.
Teilchenmodell
Die Eigenschaften der klassischen Aggregatzustände lassen sich mit einem Teilchenmodell erklären. Dabei nimmt man an, dass ein Stoff aus so genannten kleinsten Teilchen besteht. In der Wirklichkeit sind zwar diese kleinsten Teilchen von anderer Form (Atome, Moleküle oder Ionen), aber für die Erklärung der Aggregatzustände reicht es aus, die Teilchen als kleine, runde Kugeln anzusehen.
Zustände
fest/kristallin
Bewegung: Die kleinsten Teilchen sind bei einem Feststoff nur wenig in Bewegung. Sie schwingen (bei Temperaturen über 0 K) um eine feste Position, ihren Gitterplatz. Bei 0 K sind die Teilchen nicht mehr in Bewegung. Je höher die Temperatur wird, desto heftiger schwingen sie und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt (meist) zu. Ausnahme: Dichteanomalie des Wassers.
- → Die Form des Feststoffes bleibt unverändert.
Das Mittel der so genannten brownschen Molekularbewegung, das heiĂźt die mittlere kinetische Energie aller Teilchen, ist ein MaĂź fĂĽr die Temperatur.
- Hinweis: Betrachtet man die Teilchen mit quantenmechanischen Grundsätzen, so dürfen aufgrund der Heisenbergsche Unschärferelation eigentlich Teilchen nie ruhig stehen. Sie haben kleine Schwingungen, die man auch als Nullpunktsfluktuationen bezeichnet. Das entspricht dem Grundzustand des Harmonischen Oszillators.
Anziehung: Zwischen den kleinsten Teilchen wirken verschiedene Kräfte, das sind die Van-der-Waals-Kraft, die elektrostatische Kraft zwischen Ionen, Wasserstoffbrücken oder atomaren Bindungen. Die Art der Kraft ist durch den atomaren Aufbau der Teilchen (Ionen, Moleküle, Dipole, ...) bestimmt. Bei Stoffen, die auch bei hohen Temperaturen fest sind, ist die Anziehung besonders stark.
- → Stoffe im festen Aggregatzustand lassen sich nur schwer aufteilen.
- → Sie lassen sich nur schwer verformen.
Anordnung: Durch die schwache Bewegung und den festen Zusammenhalt sind die Teilchen regelmäßig angeordnet.
- → Die meisten festen Reinstoffe haben deshalb eine regelmäßige Struktur (Kristall).
Abstand: Durch die starke Anziehung sind die Teilchen eng beieinander (dicht gepackt)
- → Das Volumen eines Feststoffes lässt sich nicht verringern.
flĂĽssig/amorph
Bewegung: Wegen der Erhöhung der Temperatur werden die Teilchen immer schneller.
Anziehung: Durch die Erwärmung ist die Bewegung der Teilchen so stark, dass die Wechselwirkungskräfte nicht mehr ausreichend sind, um die Teilchen an ihrem Platz zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen.
- → Ein flüssiger Stoff verteilt sich von alleine, wenn er nicht in einem Gefäß festgehalten wird.
- → Ein Farbstoff verteilt sich von alleine in einer Flüssigkeit (Diffusion).
Abstand: Wenn der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird (die meisten festen Stoffe nehmen beim Schmelzen einen größeren Raum ein), so hängen die Teilchen aber weiter aneinander.
- → Das Volumen einer Flüssigkeit lässt sich nicht so gut wie gar nicht verringern.
Anordnung: Obwohl die Teilchen sich ständig neu anordnen und Zitterbewegungen durchführen, kann eine Anordnung festgestellt werden.
gasförmig
Bewegung: Bei Stoffen im gasförmigem Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung.
- → Ein Gas oder gasförmiger Stoff verteilt sich schnell in einem Raum.
- → In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases.
Anziehung: Beim gasförmigen Zustand unterliegt die Kohäsionskraft der Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen. Durch die hohe Geschwindigkeit halten sie nicht mehr zusammen.
- → Die kleinsten Teilchen des gasförmigen Stoffes verteilen sich gleichmäßig im gesamten, zur Verfügung stehenden, Raum.
Abstand: Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoĂźen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flĂĽssigen Phase auf groĂźer Distanz.
- → Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d.h. das Volumen lässt sich verringern.
Anordnung: Aufgrund der Bewegung sind die Teilchen ungeordnet
In der physikalischen Chemie unterscheidet man zwischen einem so genannten Dampf und einem so genannten Gas.
Beide sind physikalisch gesehen nichts anderes als der gasförmige Aggregatzustand; die Begriffe haben auch nicht direkt mit realem Gas und idealem Gas zu tun. Was umgangssprachlich als "Dampf" bezeichnet wird, ist physikalisch gesehen ein Aerosol aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen.
Dampf
Bei einem Dampf im engeren Sinn handelt es sich um einen Gleichgewichtszustand zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Er kann ohne Arbeit verrichten zu müssen verflüssigt werden, d. h. beim Verflüssigen erfolgt kein Druckanstieg. Ein solcher Dampf wird in der Technik als Naßdampf bezeichnet im Gegensatz zum sogenannten Heißdampf oder überhitzten Dampf, der im eigentlichen Sinn ein reales Gas aus Wassermolekülen darstellt und dessen Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der flüssigen Phase beim jeweiligen Druck liegt.
Gas
Ab einer bestimmten Temperatur ist die Energie der kleinsten Teilchen viel zu groß, um sie durch Erhöhen des Drucks wieder flüssig zu bekommen.
In Sonnen beispielsweise sind sich die kleinsten Teilchen näher als in einer Flüssigkeit, aber die Anziehungskraft ist nicht groß genug, damit sie kondensieren könnten. Man hat es in der Sonne mit einem Plasmagas zu tun.
Plasma
Einen gasförmigen Zustand in dem freie Elektronen und ionisierte Atome vorkommen, bezeichnet man als Plasma.
Dieser Zustand kann bei hohen Temperaturen (thermischer Zerfall) erreicht werden, aber zum Beispiel auch durch starke elektrische Felder (Blitz, Halogenlampe). Bei hohen Temperaturen (~ 5000 K) zerfallen Gase nahezu komplett in ein Plasma, aber auch bei niederen Temperaturen kommen freie Elektronen und ionisierte Atome (auch in Festkörpern oder Flüssigkeiten) nachweislich vor.
Es gibt daher keinen PhasenĂĽbergang zum Plasma. Daher ist auch umstritten ob ein Plasma ĂĽberhaupt ein eigentlicher Aggregatzustand ist.
Bei immer höheren Temperaturen können sogar die Atomkerne gänzlich freigelegt werden, was für die Kernfusion interessant ist.
Grundsätzlich verhält sich ein Plasma aber wie ein Gas, nur mit Elektronen und Kationen oder Atomkernen als kleinsten Teilchen. Dadurch ist das Plasma ein guter elektrischer Leiter.
Vakuum
Ein Vakuum gilt dann als erreicht, wenn die Teilchen des Gases eine mittlere freie Weglänge aufweisen welche größer ist als die Abmessungen des zur Verfügung stehenden Raumes.
Dadurch, dass die Teilchen nur noch sehr selten durch Stöße miteinander wechselwirken unterscheidet sich das Vakuum in Folgendem von einem Gas:
- Im Vakuum finden keine Strömungsphänomene wie Verwirbelungen oder Söge auf.
- Es gibt keinen Schall im Vakuum.
- Es gibt keine Reibung/"Luftwiderstand" zwischen Vakuum und Objekten im Vakuum.
- Wärmeleitung funktioniert im Vakuum nur durch Strahlung.
Es ist außerdem umstritten, ob makroskopische Größen wie Druck und Temperatur zur Beschreibung eines Vakuums sinnvoll sind.
Phasenübergänge
Schmelzen
Durch Erhöhen der Temperatur bewegen sich die kleinsten Teilchen immer heftiger, und ihr Abstand voneinander wird (normalerweise) immer größer.
Die Van-Der-Waalschen Kräfte halten sie aber noch in ihrer Position, ihrem Gitterplatz.
Erst ab der so genannten Schmelztemperatur wird der Abstand so groĂź, dass die kleinsten Teilchen aneinander vorbeikommen, und dadurch verliert der Feststoff seine Form.
Erstarren
Mit sinkender Temperatur nimmt die Bewegung der kleinsten Teilchen ab und ihr Abstand zueinander wird immer geringer.
Bei der so genannten Erstarrungstemperatur wird der Abstand so klein, dass sich die kleinsten Teilchen gegenseitig blockieren und miteinander verstärkt anziehend wechselwirken - sie nehmen eine feste Position in einem dreidimensionalen Gitter ein.
Verdampfen & Sublimation
Die Geschwindigkeit der kleinsten Teilchen ist nicht gleich. Ein Teil ist schneller, ein Teil ist langsamer als der Durchschnitt. Dabei ändern die Teilchen durch Kollisionen ständig ihre aktuelle Geschwindigkeit.
An der Grenze eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit, dem Übergang einer Phase in eine gasförmige, kann es mitunter vorkommen, dass ein Teilchen von seinen Nachbarn zufällig einen so starken Impuls bekommt, dass er aus dem Einflussbereich der Kohäsionskraft entweicht.
Dieses Teilchen tritt dann in den gasförmigen Zustand über, und nimmt etwas Wärmeenergie in Form der Bewegungsenergie mit, das heißt die feste oder flüssige Phase kühlt ein wenig ab.
Ist die Sublimations- oder Siedetemperatur erreicht, geschieht dieser Vorgang kontinuierlich, bis alle kleinsten Teilchen in die gasförmige Phase übergetreten sind.
In diesem Fall bleibt die Temperatur in der verdampfenden Phase in der Regel unverändert, weil alle Teilchen mit einer höheren Temperatur aus dem System verschwinden. Die Wärmezufuhr wird somit in eine Erhöhung der Entropie umgesetzt.
Wenn Teilchen von einem Aggregatzustand in einen anderen übergehen, nehmen sie mehr Energie auf, als beim normalen Erhöhen der Temperatur (siehe Verdampfen). Daher wird zwischen Verdunstung und Sieden unterschieden.
Wenn die Kohäsionskräfte sehr stark sind, beziehungsweise es sich eigentlich um eine viel stärkere Metall- oder Ionenbindung handelt, dann kommt es nicht zur Verdampfung.
Kondensation & Resublimation
Der umgekehrte Vorgang ist die Kondensation beziehungsweise Resublimation. Ein kleinstes Teilchen trifft zufällig auf einen festen oder flüssigen Stoff, überträgt seinen Impuls und wird von den Kohäsionskräften festgehalten.
Dadurch erwärmt sich der Körper um die Energie, die das kleinste Teilchen mehr trug, als der Durchschnitt der kleinsten Teilchen in der festen beziehungsweise flüssigen Phase.
Stammt das Teilchen allerdings von einem Stoff, der bei dieser Temperatur gasförmig ist, sind die Kohäsionskräfte zu schwach, es festzuhalten. Selbst wenn es zufällig so viel Energie verloren hat, dass es gebunden wird, schleudert es die nächste Kollision mit benachbarten kleinsten Teilchen wieder in die Gasphase.
Durch Absenken der Temperatur kann man den kleinsten Teilchen ihre Energie entziehen.
Dadurch ballen sie sich beim Unterschreiten der Sublimations- oder Erstarrungstemperatur durch die Wechselwirkungskräfte mit anderen Teilchen zusammen und bilden wieder einen Feststoff oder eine Flüssigkeit.
Siehe auch: Teilchenmodell, Phase (Chemie), Suprafluidität, Flüssigkristall, Leidenfrost-Effekt
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