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Baustofftechnik 1 - Homogenität und Isotropie

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Baustofftechnik 1

Homogenität und Isotropie

Bevor wir uns in die Thematik vertiefen, stellen wir die vier folgenden Begriffe kurz vor.

Definition

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  • Homogenität: Ist der Aufbau eines Baustoffs gleichmäßig, so bezeichnet man diesen als homogen.
  • Heterogenität: Ist der Aufbau eines Baustoffs ungleichmäßig und liegen Komponenten in unterschiedlichen Konzentrationen vor, so bezeichnet man diesen als heterogen.
  • Isotropie: Wird ein Baustoff in unterschiedliche Richtungen beansprucht und weist er dabei immer die gleichen Eigenschaften auf, so bezeichnet man diesen als isotrop.
  • Anisotropie: Wird ein Baustoff in unterschiedliche Richtungen beansprucht und weist unterschiedliche Eigenschaften auf, so bezeichnet man diesen als anisotrop.

Homogenität und Heterogenität

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Gelingt es Atome oder Moleküle eines Baustoffes in den festen Phasen eines anderen Baustoffs zu lösen, so spricht man von Mischphasen. Beinahe jeder Baustoff besteht aus Mischphasen und liegt nicht in reiner Form vor.

Voraussetzungen für die Entstehung von Mischphasen

Die Entstehung von Mischphasen ist gewissen Beschränkungen und Voraussetzungen unterlegen:

  • Die Entstehung von Mischphasen setzt eine ausreichende Temperatur voraus. In niedrigen Temperaturbereichen entstehen selten Mischphasen.
  • Die Mischbarkeit von Kristallen ist nicht unbegrenzt und erreicht ab einem bestimmten Punkt einen nicht zu übertreffenden Sättigungswert.
  • Damit Kristalle erfolgreich miteinander gemischt werden können, sollten sie in ihrer Kristallstruktur sehr ähnlich sein.
  • Die Gitterkonstanten und die Atomradien des einen Kristalls sollten auch denen des anderen Kristalls entsprechen.
  • Chemische Wechselwirkungen der äußeren Elektronen der Atome in den Kristalle haben großen Einfluss auf die Bildung von Mischphasen.
  • In Mischphasen werden Atome in Kristallen gelöst.

Zusammensetzung der Mischphase

Um nach einer erfolgreichen Schaffung einer Mischphase die Zusammensetzung anteilig zu bestimmen, nutzt man die Angabe des Stoffmengengehalts, bzw. des Massegehalts.

Somit lässt sich die Stoffzusammensetzung $ \sum_{n = i} c_n $ in der Komponentendarstellung beschreiben durch:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen$ \sum_{n = i} c_n = ( c_1 + c_2 + c_3 ….. + c_i ) \cdot 100 \rightarrow = 100 \text{%} $

Treten nun Atome eines Kristalls A in das Gefüge des anderen Kristalls B ein, so können sich diese entweder auf Gitterplätze von Atomen des Kristalls B setzen oder einen Zwischengitterplatz einnehmen, vorausgesetzt es besteht keine freie Enthalpie zwischen den beiden Atomarten. Ansonsten würde dies zur Anziehungs- oder Abstoßungsreaktionen führen.

Ausprägungen von Mischphasen
Ausprägungen von Mischphasen

Ausprägungen von Mischphasen

Mischphasen können drei unterschiedliche Varianten von Atomaufbauten besitzen:

  • Homogen ungeordnet $\rightarrow $ Fremdatome siedeln sich ungeordnet im Kristall an.
  • Homogen geordnet $\rightarrow $ Fremdatome siedeln sich nach einem wiederkehrenden Muster A-B-A-B an.
  • Heterogen entmischt $\rightarrow $ Hier sind die Fremdatome nicht mehr in einer Mischphase gebunden.   

Ob der Atomaufbau der Mischphase nun homogen geordnet oder ungeordnet ist, hängt letztlich von der Höhe der Entropie der Atome ab. Die Entropie beschreibt die Unordnung in der Mischphase.