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SG029 Phasenübergänge - Aggregatszustände

Innere Energie

Temperatur

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Unter Phasen eine Stoffes versteht man einheitliche (homogene) Bereiche, die gegeneinander durch Trennflächen abgegrenzt sind.

Bei Wasser von Raumtemperatur in einem teilweise gefüllten Gefäß liegen zwei solche Phasen vor, die flüssige Phase des Wassers und die gasförmige Phase des Wasserdampfes darüber. Die meisten Stoffe können in der festen, flüssigen oder gasförmigen Phase vorkommen.

Es gibt aber noch verschiedene andere Phasen. Vielleicht hast du im Chemie-Unterricht die Phasen von flüssigem oder festem Schwefel mit unterschiedlichen Modifikationen von Schwefel kennengelernt. Es gibt auch noch 3 gasförmige Schwefelphasen.

Eng verwandt mit dem Begriff der Phase ist der Aggregatszustand. Von den meisten Stoffen kennen wir den festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatszustand. Manche fassen auch ein Plasma mit getrennt sich bewegenden negativen und positiven Ladungen als 4. Aggregatszustand auf. Eis, Wasser und Wasserdampf sind ein dir bekanntes Beispiel. Nebel dagegen besteht aus kleinen Wassertröpfchen in Luft. Hier liegt Wasser überwiegend in der flüssigen Phase vor, aber, da ein Teil des Wassers verdampft ist, auch in der gasförmigen Phase. Auch das  Kohlendioxid (CO2) der Luft kann verflüssigt werden. Es wird in dickwandigen "Gasflaschen" verkauft, und wenn du das Ventil öffnest strömt Kohlendioxid aus, kühlt sich stark ab (Vorsicht: "Verbrennungs-"Gefahr!) und wird zu festem Kohlendioxid-Schnee, der auch nach und nach verdampft, wobei er die flüssige Phase überspringt (Sublimation). Trockeneis ist festes Kohlendioxid.

Phasenübergänge sind ein etwas allgemeinerer Fall von Änderungen des Aggregatszustands.

Änderungen des Aggregatszustands können unterschiedlich durchgeführt werden. Gemeinsam ist allen Änderungen eine Energiezufuhr (für den Weg fest-flüssig-gasförmig) oder ein Energieentzug (für den Weg gasförmig-flüssig-fest). Wasserdampf z.B. wird flüssig, wenn du ihn bei 1000C abkühlst (Energieentzug) oder wenn du den Druck erhöhst. Ähnlich wird flüssiges Wasser fest, wenn du es bei 00C abkühlst (Energieentzug). Wenn du aber bei 00C den Druck erhöhst, wird das Eis wieder flüssig ("Anomalie des Wassers").

Temperatur von Wasser in Abhängigkeit von der zugeführten Wärme Q (Prinzipdarstellung):

Charakteristisch für Änderungen des Aggregatszustands ist die Konstanz der Temperatur während des Kondensierens bzw. Siedens (Verdampfens), während des Erstarrens bzw. des Schmelzens. Reines Wasser unter Idealbedingungen erstarrt bei einer festen Temperatur von 00C und siedet bei einer festen Temperatur von 1000C. (Kurve links idealisiert)

Erhitzt du fein zerstampftes Eis (Energiezufuhr bei 00C; unter Idealbedingungen) unter sorgfältigem Umrühren, dann bleibt die Temperatur konstant bei 00C, bis alles Eis geschmolzen ist. Erst bei weiterer Energiezufuhr steigt die Temperatur des flüssigen Wassers weiter an.

Erhitzt du also flüssiges Wasser von 1000C unter kräftigem Umrühren (Energiezufuhr), so bleibt die Temperatur konstant 1000C, bis alles Wasser verdampft ist. Erst bei weiterer Energiezufuhr steigt die Temperatur des Dampfes weiter über 1000C an.

Bereits unterhalb von 1000C verdunstet ein Teil des Wassers, so dass in Realität die Erwärmungskurve unterhalb von 1000C flacher wird und "gerundet" in die Horizontale einmündet.

(September 2013)